ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 192
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет путей сообщения»
А.Л. Бобров, Е.В. Лесных
ОСНОВЫ МАГНИТНОГО
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Учебное пособие
Новосибирск 2018
УДК 620.179
Основы магнитного неразрушающего контроля. Учебное пособие / Бобров
А.Л., Лесных Е.В. - Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2018. – 108 с.
В учебном пособии изложены физические и технологические основы магнитных методов неразрушающего контроля технических объектов, в первую очередь – деталей подвижного состава железных дорог. Наиболее подробно рассмотрены аспекты магнитопорошкового неразрушающего контроля.
Пособие полезно для студентов бакалавриата, изучающих методы неразрушающего контроля направления «Стандартизация и метрология» по дисциплине «Неразрушающий контроль объектов железнодорожного транспорта» и студентов магистратуры направления «Эксплуатация транспортно- технологических машин и комплексов» по дисциплине «Неразрушающий контроль машин и механизмов», а также специалистов неразрушающего контроля и технологов при изучении магнитного контроля и подготовке к сертификации.
Рассмотрено и рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия на заседании редакционно-издательского совета СГУПС
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р к.т.н., доцент Бояркин Е.В.
Рецензенты: декан электромеханического факультета ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта», к. т. н., доцент Жаров А.В. кафедра «Электроснабжение» Физико-технического института ФГАОУ ВО
«Северовосточный федеральный университет имени М.К. Амосова»
©
Бобров А.Л.,
Лесных Е.В.,
2018,
СГУПС
2
Содержание
Введение
4 1.
Теория магнетизма
5 1.1
Основы. Магнитное поле. Его характеристики
5 1.2
Магнитные свойства материалов
11 2. Намагничивание и магнитные свойства ферромагнетиков
16 2.1 Кривая первоначального намагничивания
16 2.2 Циклическое перемагничивание
21 2.3 Размагничивающий фактор
26 3.
Создание магнитного поля разными намагничивающими устройствами
28 3.1
Магниты как намагничивающие устройства
28 3.2
Магнитные поля вокруг магнитов
32 3.3
Магнитные поля вокруг проводников с током
33 4
. Виды токов, применяемых в магнитной дефектоскопии
37 5.
Физические принципы магнитной дефектоскопии
45 5.1
Поля рассеяния дефектов
45 5.2 Осаждение частиц магнитного порошка над дефектами
50 5.3 Феррозондовая дефектоскопия
51 6.
Технология магнитопорошкового контроля
57 6.1
Этапы и способы магнитопорошкового контроля
57 6.2
Подготовка деталей и средств контроля
60 6.3 Намагничивание
63 6.3.1
Полюсное намагничивание
64 6.3.2 Циркулярное намагничивание
71 6.3.3 Комбинированное намагничивание
81 6.4
Выбор магнитного индикатора и его нанесение на поверхность детали
82 6.5
Осмотр и идентификация дефектов
89 6.5.1
Освещение для магнитных частиц, видимых в обычном свете
89 6.5.2
Ультрафиолетовое освещение
91 6.5.3 Измерение освещенности
92 6.5.4
Ложные индикации
93 6.5.5
Типы выявляемых дефектов
95 6.6
Измерители величины магнитного поля
98 6.7 Размагничивание деталей
102
Заключение
106
Библиография
107 3
ВВЕДЕНИЕ
Неразрушающий контроль деталей вагонов, локомотивов и специального
(самоходного и несамоходного) подвижного состава является важной составляющей ремонтных работ и надежности эксплуатации подвижного состава.
В составе каждого предприятия, осуществляющего изготовление и ремонт деталей и узлов подвижного состава, находится подразделение, обеспечивающее контроль их технического состояния. При этом, магнитными методами контролируются практически все детали подвижного состава, подвергаемые неразрушающему контролю. Широкая распространенность магнитных методов при контроле объектов железнодорожного транспорта требует от специалистов, занимающихся обеспечением качества продукции на предприятиях знаний в области магнитных методов неразрушающего контроля и владения технологиями и оборудованием с помощью которых этот контроль осуществляется.
В пособии рассмотрены основные принципы магнитных методов неразрушающего контроля. Физические основы даны в упрощенном представлении, достаточном для понимания основных принципов работы магнитных методов контроля, а для их расширенного изучения рассмотренных вопросов требуется специализированная литература [1, 2]. Вопросы практического применения магнитного контроля рассмотрены на примере магнитопорошкового метода неразрушающего контроля, как самого распространенном при контроле деталей подвижного состава. Для подробного изучения других методов контроля целесообразно обратиться к специализированной литературе, приведенной в библиографическом списке.
Магнитный контроль получил широкое распространение благодаря тому, что изделия из сплавов железа (ферромагнитного материала) часто используются для удовлетворения потребностей человека. Именно особые магнитные свойства железа и его сплавов привели к развитию магнитных методов контроля.
Магнитный контроль в ряде случаев достаточно дешево и надежно позволяет выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты и осуществлять другие задачи неразрушающего контроля.
4
Данное пособие будет полезно для студентов, знакомящихся в рамках учебной программы с методами магнитного неразрушающего контроля, персонала, осуществляющего неразрушающий контроль магнитными методами объектов железнодорожного транспорта и ориентированного на сдачу экзаменов при сертификации по магнитному виду.
Авторы выражают благодарность коллегам из научно-исследовательской лаборатории «Физические методы контроля качества» СГУПС, принявшим активное участие в обсуждении концепции и содержания учебного пособия.
1.
ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА
1.1 Основы. Магнитное поле. Его характеристики.
Магнетизм – это форма взаимодействия движущихся электрически заряженных частиц. Можно сказать, что магнитное поле это силовое поле, возникающее вокруг движущихся электрических зарядов, которое воздействует на другие заряды. Для описания воздействия этого поля на движущийся заряд вводится понятие магнитной индукции.
Магнитная индукция ????�⃗- силовая характеристика магнитного поля, характеризующая его интенсивность и направление в точке пространства, векторная величина. Это значит, что она характеризуется в каждой точке поля численным значением и направлением в пространстве.
В системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в «Теслах», Тл.
В системе единиц СГС – в “Гауссах”, Гс.
1Тл = 10 4
Гс;
1 Гс = 10
- 4
Тл.
Движущаяся заряженная частица формирует вокруг себя магнитное поле и влияет на другие частицы, находящиеся в этом поле. При одновременном движении большого количества заряженных частиц создаваемое ими магнитное поле будет равно сумме полей, создаваемых отдельными частицами. Таким способом можно создать достаточно сильные магнитные поля. Движение больших
5
потоков заряженных частиц мы назовем электрическим током. Электрический ток
– направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. В металлах подвижными носителями заряда являются электроны, то есть отрицательно заряженные частицы, поэтому направление тока в них противоположно направлению движения зарядов.
Силовое воздействие магнитного поля, создаваемого током, как оказалось, зависит не только от силы тока, но и от свойств среды в которой взаимодействие происходит. Поэтому для описания магнитного поля ввели ещё одну величину - вектор напряженности магнитного поля ????��⃗, который зависит:
− от силы тока,
− размеров и формы источника, создающего магнитное поле,
− от места расположения точки по отношению к этому источнику;
Единицей измерения напряженности магнитного поля является - А/м.
1 А/см = 100 А/м.
Напряженность магнитного поля также является векторной величиной.
Вектор ????��⃗ в изотропной среде связан с вектором магнитной индукции соотношением:
????
��⃗ = ???? ∙ ????
????
∙ ????
���⃗
Где μ
о
= 4π·10
-7
Гн/м. - магнитная проницаемость вакуума или магнитная постоянная.
μ - относительная магнитная проницаемость, показывающей, во сколько раз сила взаимодействия в данной среде больше чем в вакууме при одном и том же значении напряжённости магнитного поля.
Магнитные поля на чертежах изображают замкнутыми непересекающимися кривыми, которые называют магнитными силовыми линиями. Силовые линии проводят таким образом, чтобы касательные к ним в любой точке были параллельны вектору индукции магнитного поля в этой точке, а их плотность
(количество линий, проходящих через площадку в 1 м
2
) была пропорциональна модулю этого вектора. Магнитные поля являются непрерывными в пространстве и
6
– направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. В металлах подвижными носителями заряда являются электроны, то есть отрицательно заряженные частицы, поэтому направление тока в них противоположно направлению движения зарядов.
Силовое воздействие магнитного поля, создаваемого током, как оказалось, зависит не только от силы тока, но и от свойств среды в которой взаимодействие происходит. Поэтому для описания магнитного поля ввели ещё одну величину - вектор напряженности магнитного поля ????��⃗, который зависит:
− от силы тока,
− размеров и формы источника, создающего магнитное поле,
− от места расположения точки по отношению к этому источнику;
Единицей измерения напряженности магнитного поля является - А/м.
1 А/см = 100 А/м.
Напряженность магнитного поля также является векторной величиной.
Вектор ????��⃗ в изотропной среде связан с вектором магнитной индукции соотношением:
????
��⃗ = ???? ∙ ????
????
∙ ????
���⃗
Где μ
о
= 4π·10
-7
Гн/м. - магнитная проницаемость вакуума или магнитная постоянная.
μ - относительная магнитная проницаемость, показывающей, во сколько раз сила взаимодействия в данной среде больше чем в вакууме при одном и том же значении напряжённости магнитного поля.
Магнитные поля на чертежах изображают замкнутыми непересекающимися кривыми, которые называют магнитными силовыми линиями. Силовые линии проводят таким образом, чтобы касательные к ним в любой точке были параллельны вектору индукции магнитного поля в этой точке, а их плотность
(количество линий, проходящих через площадку в 1 м
2
) была пропорциональна модулю этого вектора. Магнитные поля являются непрерывными в пространстве и
6
убывающими до близких к нулю значений на больших расстояниях от проводника с током так, что таким магнитным полем уже можно пренебречь и считать отсутствующим.
Магнитная стрелка в магнитном поле устанавливается по направлению магнитных силовых линий. В соответствии с этим магнитным силовым линиям приписывают направление, совпадающее с направлением, указываемым северным концом магнитной стрелки компаса (так как на северном полюсе находится южный магнитный полюс Земли).
Участок поверхности тела, из которого выходят магнитные силовые линии, условно назвали Северным магнитным полюсом «N», а другой, участок поверхности, на котором силовые линии входят в тело, – Южным « S»
Магнитное поле в магнитных методах НК используется для намагничивания и размагничивания проверяемых объектов.
При магнитном контроле ????�⃗ раскладывают на две составляющие (рис.1):
− нормальную составляющую В
n
, направленную перпендикулярно к поверхности проверяемой детали;
− тангенциальную В
t
, направленную вдоль поверхности или параллельно поверхности детали.
Рисунок 1 - Разложение вектора магнитной индукции на нормальную В
n и тангенциальную В
t составляющие
7
Магнитная стрелка в магнитном поле устанавливается по направлению магнитных силовых линий. В соответствии с этим магнитным силовым линиям приписывают направление, совпадающее с направлением, указываемым северным концом магнитной стрелки компаса (так как на северном полюсе находится южный магнитный полюс Земли).
Участок поверхности тела, из которого выходят магнитные силовые линии, условно назвали Северным магнитным полюсом «N», а другой, участок поверхности, на котором силовые линии входят в тело, – Южным « S»
Магнитное поле в магнитных методах НК используется для намагничивания и размагничивания проверяемых объектов.
При магнитном контроле ????�⃗ раскладывают на две составляющие (рис.1):
− нормальную составляющую В
n
, направленную перпендикулярно к поверхности проверяемой детали;
− тангенциальную В
t
, направленную вдоль поверхности или параллельно поверхности детали.
Рисунок 1 - Разложение вектора магнитной индукции на нормальную В
n и тангенциальную В
t составляющие
7
Напряженность магнитного поля также раскладывают на нормальную Н
n
и тангенциальную Н
t
составляющие напряженности магнитного поля, которые можно измерить у поверхности любого твердого объекта.
При введении в магнитное поле материала он в зависимости от собственных магнитных свойств может искажать силовые линии внутри него и вокруг.
Ещё одной характеристикой магнитного поля является магнитный поток Ф - поток вектора магнитной индукции через какую-либо поверхность.
Единица измерения магнитного потока – 1 Вб (вебер).
В однородном поле (в котором магнитная индукция соседних точек практически не отличается друг от друга) магнитный поток Ф, пронизывающий плоскость S, нормаль которой расположена под углом α к магнитным силовым линиям (рис.2), равен:
Ф = B·S·cosα, (1) где S – площадь, м
2
Единица измерения магнитного потока – 1 Вб (вебер).
Таким образом, магнитный поток Ф графически характеризуется количеством линий магнитного поля проходящих через заданное сечение, а магнитная индукция В – их плотностью.
Из рис. 3 видно, что если мы лист развернем по отношению к потоку, то через него будет проходить меньше силовых линий, то есть поток будет слабее. А
Рисунок 2 – Иллюстрация к вычислению магнитного потока
B
n
α
S
8
если лист повернем вдоль силовых линий, то есть поток пройдет мимо, cos α станет для угла 90 ° равным 0 и поток также станет равным нулю через такой лист
(если, конечно, пренебречь его толщиной).
Рисунок 3 - Магнитный поток Ф через площадку S, расположенную под углом α к магнитным силовым линиям
Наиболее простые и часто встречающиеся примеры магнитного поля проводников с током приведены на рис. 4 и 5. Сплошными линиями на рис. 4 и штриховыми линиями на рис. 4 обозначены силовые линии магнитного поля.
Каждая силовая линия – кривая, на которой напряженность магнитного поля направлена по касательной в каждой точке. Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.
Если буравчик вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводнике, то направление движения рукоятки укажет направление силовых линий.
Внутри соленоида (рис. 4) магнитное поле близко к однородному. Вокруг проводника с током (рис. 5) возбуждается убывающее магнитное поле.
Напряженность вокруг проводника с током зависит от полного тока, охватываемого каждой линией l. На примере рисунка 5 видно, что ток течет только по проводнику, охватываемому линиями, и в данном случае для каждого контура
9
(если, конечно, пренебречь его толщиной).
Рисунок 3 - Магнитный поток Ф через площадку S, расположенную под углом α к магнитным силовым линиям
Наиболее простые и часто встречающиеся примеры магнитного поля проводников с током приведены на рис. 4 и 5. Сплошными линиями на рис. 4 и штриховыми линиями на рис. 4 обозначены силовые линии магнитного поля.
Каждая силовая линия – кривая, на которой напряженность магнитного поля направлена по касательной в каждой точке. Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.
Если буравчик вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводнике, то направление движения рукоятки укажет направление силовых линий.
Внутри соленоида (рис. 4) магнитное поле близко к однородному. Вокруг проводника с током (рис. 5) возбуждается убывающее магнитное поле.
Напряженность вокруг проводника с током зависит от полного тока, охватываемого каждой линией l. На примере рисунка 5 видно, что ток течет только по проводнику, охватываемому линиями, и в данном случае для каждого контура
9
он будет одинаков. Напряженность магнитного поля при этом можно определить по формуле:
???? =
????
2
π
????
, где 2
π
r – длина силовой линии l, I– сила тока.
Рисунок 4 – Магнитное поле соленоида или катушки
Рисунок 5 – Магнитное поле проводника с током
Так же магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами (рис. 6), в которых силовые линии идут частично внутри магнита от полюса к полюсу, а частично по внешнему пространству, и их большая часть сосредоточена на кратчайшем расстоянии от полюса к полюсу.
Рисунок 6 – Магнитное поле постоянных магнитов
Таким образом магнитное поле обладает следующими свойствами:
− силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, никогда не
10
???? =
????
2
π
????
, где 2
π
r – длина силовой линии l, I– сила тока.
Рисунок 4 – Магнитное поле соленоида или катушки
Рисунок 5 – Магнитное поле проводника с током
Так же магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами (рис. 6), в которых силовые линии идут частично внутри магнита от полюса к полюсу, а частично по внешнему пространству, и их большая часть сосредоточена на кратчайшем расстоянии от полюса к полюсу.
Рисунок 6 – Магнитное поле постоянных магнитов
Таким образом магнитное поле обладает следующими свойствами:
− силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, никогда не
10
пересекаются и проходят через любую среду, в том числе вакуум;
− магнитное поле взаимодействует только с движущимися электическими зарядами, с неподвижными – не взаимодействует;
− магнитные поля складываются друг с другом;
− магнитные поля непрерывны в пространстве;
− при большом удалении от источника магнитные поля ослабевают настолько, что ими можно пренебречь.
1.2
Магнитные свойства материалов
Магнитный момент
Магнитным моментом контура с током называется вектор, модуль которого равен произведению силы тока в контуре на площадь, ограниченную этим контуром, а направлен он по нормали к плоскости контура в сторону, определяемую по правилу правого винта.
????
????
= ????????????�⃗
Рисунок 7 – Движение электрона вокруг ядра и его магнитный момент
Магнитное поле маленького контура с током по своей структуре сходно с полем короткого постоянного магнита и быстро спадает при удалении от контура.
Если такой контур поместить в магнитное поле, то на него будет действовать момент силы, равный
???? = ????
????
????????????????????
11
− магнитное поле взаимодействует только с движущимися электическими зарядами, с неподвижными – не взаимодействует;
− магнитные поля складываются друг с другом;
− магнитные поля непрерывны в пространстве;
− при большом удалении от источника магнитные поля ослабевают настолько, что ими можно пренебречь.
1.2
Магнитные свойства материалов
Магнитный момент
Магнитным моментом контура с током называется вектор, модуль которого равен произведению силы тока в контуре на площадь, ограниченную этим контуром, а направлен он по нормали к плоскости контура в сторону, определяемую по правилу правого винта.
????
????
= ????????????�⃗
Рисунок 7 – Движение электрона вокруг ядра и его магнитный момент
Магнитное поле маленького контура с током по своей структуре сходно с полем короткого постоянного магнита и быстро спадает при удалении от контура.
Если такой контур поместить в магнитное поле, то на него будет действовать момент силы, равный
???? = ????
????
????????????????????
11
Где α – угол между вектором индукции магнитного поля и вектором магнитного момента.
Таким образом, при внесении контура в магнитное поле он стремится установиться так, чтобы вектор индукции магнитного поля был направлен перпендикулярно плоскости контура. При этом направление собственного поля контура будет совпадать с направлением внешнего поля.
Как известно, все окружающие нас вещества состоят из атомов. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра в котором сосредоточена практически вся масса атома, и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по замкнутым орбитам. Такое движение электронов в атоме можно рассматривать как электрический ток, поэтому каждый электрон создаёт свой магнитный момент (рис. 7), который называется орбитальным. Кроме того, каждый электрон обладает ещё собственным магнитным моментом. Магнитный момент всего атома складывается из орбитальных и собственных магнитных моментов всех электронов входящих в состав атома. Если атомы вещества в отсутствие внешнего магнитного поля имеют магнитные моменты равные нулю, то такое вещество называется диамагнитным. Если магнитные моменты атомов не равны нулю, то вещество называется парамагнитным.
Когда какой либо материал попадает в магнитное поле, то внутри него создаётся внутреннее поле атомов, которое, складываясь с внешним полем, усиливает или ослабляет его.
По значению μ все материалы делят на три группы:
Диамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей меньше единицы (μ < 1. Относительная магнитная проницаемость некоторых диамагнетиков приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Относительная магнитная проницаемость некоторых диамагнетиков
Вещество
Висмут (Bi)
Серебро (Ag)
Медь (Cu)
Вода
μ
0,999825 0,999981 0,9999897 0,999991 12