Физические основы феррозондового метода

Лабораторная работа №6

Определение качества металла неразрушающими методами

Цель работы: познакомится с неразрушающими методами оценки качества металла на физической основе (электромагнитный и ультразвуковой).

Приборы и инструменты: электромагнитный прибор, коэрцитиметр КИФМ-1, толщиномер УТ-9ЗП, штангенциркуль, образцы различного металла.

Общая часть

На ряде металлургических предприятий применяют один из магнитных методов - феррозондовый метод.

Феррозондовый метод контроля основан на обнаружении и измерении магнитных полей с помощью феррозондов - магнитодинамических магнитометров. Магнитометр - это прибор, позволяющий обнаружить и измерять магнитные поля, а также определять степень намагниченности ферромагнитного материала по создаваемому им в пространстве магнитному полю.

Применяются два типа феррозондов: полимеры и градиентометры. Первый дает возможность определять наличие и напряженность магнитного поля, а второй - градиент напряженности магнитного поля в его различных точках.

С помощью феррозондов можно осуществить следующие операции:

- выявить нарушения сплошности ферромагнитных материалов и изделий из них;

- контролировать и сортировать стальные детали;

- получать качественную и количественную характеристику магнитных свойств материалов изделия, по которым можно судить о структуре и механических свойствах при магнитоструктурном анализе и т.п.

Физические основы феррозондового метода.

Допустим, что мы имеем катушку, питаемую переменным током, с сердечником, у которого отсутствуют потери от гистерезиса, т.е. его магнитная индукция равна нулю. При протекании переменного тока через отмотку катушки, напряженность ее магнитного поля не будет колебаться симметрично относительно оси времени. Если сердечник поместить в постоянное магнитное поле , при сохранении воздействия переменного магнитного поля, то кривая намагничивания сместиться, эквивалентно в горизонтальном направлении вдоль оси и займет положение, показанное пунктирной линией (рис.1).

Рис.1. Кривая намагничивания ферромагнитного материала без потерь на гистерезис

В случае действия на сердечник одновременно двух полей , когда напряженность переменного поля равна нулю, индукция не достигает нуля, потому что на сердечник действует постоянное магнитное поле, а индукция будет иметь значение . Индукция равна нулю в тот момент, когда равно нулю суммарная напряженность магнитного поля, т.е. мгновенное значение переменного поля противоположно по направлению и равно по величине постоянному магнитному полю (точка на рис.1). Поэтому кривая намагничивания смещается в сторону, обратную направлению постоянного магнитного поля на величину .

Устройство феррозонда.

Феррозонд состоит из двух катушек (полузондов), каждая из которых имеет магнитно-мягкий сердечник и две обмотки - первичную и вторичную. Первичная обмотка служит для возбуждения переменного магнитного поля, которая перемагничивает сердечник, а вторичная обмотка - индикаторная.

Рис.2. Схема феррозонда полимера

Напряженности переменных полей полузондов равны по величине, но имеют противоположное направление. При допущении, что сердечники и не обладают гистерезисом, в этом случае суммарная индукция обоих сердечников все время равны нулю, так как кривые намагничивания I и II полностью симметричны. При этом э.д.с. во вторичной (индикаторной) обмотке не возникают. Если оба полузонда поместить в постоянное магнитное поле при действии переменных полей, кривые намагничивания сердечников сдвинутся параллельно самим себе в противоположном направлении на отрезки и , равные по абсолютной величине (пунктирные кривые на рис.3).

Рис.3. Кривые намагничивания, суммарной индукции и вторичной э.д.с. феррозонда полимера

Суммарная индукция , в каждой точке равная сумме ординат пунктирных кривых не равна нулю, а представляется кривой приведенной на рис.3,б. В этом случае э.д.с. во вторичной обмотке - не равные нулю и характер ее изменения показан на рис.3,г.

Окончательный результат изменчивости вторичного напряжения во времени запишем:

(1)

где - постоянный коэффициент, который определяется конструкцией и характеристикой катушки и магнитными свойствами сердечника;

- максимальная амплитуда напряженности переменного магнитного поля;

- напряженность измеряемого постоянного магнитного поля.

Если, то , то:

, (2)

приняв , имеем ,

где - градуировочный коэффициент феррозонда в постоянных магнитных полях.

Основной характеристикой феррозонда – полимера является зависимость между измеряемой напряженностью постоянного магнитного поля и вторичным напряжением.

Одним из приборов предназначенных для контроля качества термической и химико – термической обработки ферромагнитных стальных изделий, а также механических свойств стального проката при наличии однозначной корреляционной связи между контролируемыми параметрами и коэрцитивной силой – является КИФМ-1. Эта связь определяется индивидуально для каждого объекта контроля.

Коэрцитивной силой называют значение напряженности магнитного поля, при котором равна нулю намагниченность материала, изменяющаяся по петле гистерезиса. Коэрцитивная сила является наиболее структурочувствительной магнитной характеристикой материала, что позволяет использовать ее в качестве параметра неразрушающего контроля однородности структуры механических свойств ферромагнитных материалов.

Оценка однородности структуры исследуемого материала проводится по величине коэффициента вариаций:

, % (3)

где - среднее значение коэрцитивной силы измеренной в нескольких образцах сталей из одной партии, ;

- среднее квадратичное отклонение,

Сортировка материала по величине коэрцитивной силы. В этом случае, выбирается по одному образцу стали из разных партий металла, измеряется коэрцитивная сила и толщина исследуемого материала. Величина коэрцитивной силы определяется как:

, (4)

где - ток размагничивания;

- фактическое значение потока размагничивания магнитного датчика;

- коэффициент регрессии, между коэрцитивной силой и размагничивающим током.

Величина обоих параметров указаны в Приложении А.

В основе ультразвуковой дефектоскопии лежит способность ультразвуковых колебаний (УЗК) распространяется в металле на большие расстояния в виде направленных пучков и отражаться на границах двух участков равной плотности. Для толщинометрии элементов конструкций используется эхо – метод и метод звуковой тени. На поверхности контролируемого объекта устанавливается пьезометрический излучатель – приемник с контактной смазкой (машинное масло).

В процессе контроля исследуемого объекта анализируется временный показатель в зависимости от толщины , рис.4.

Рис.4. Схема прозвучивания исследуемого элемента конструкции

Толщина элемента определяется как:

, (5)

где - скорость распространения УЗКА исследуемой среде, в однородной среде скорость постоянна;

- время прохождения УЗКа при прохождении пути, равного двум толщинам исследуемого элемента.

Порядок выполнения

1. С помощью электромагнитного прибора КИФМ-1 измерить величину коэрцитивной силы различных материалов и провести сортировку по коэрцитивной силе и толщине. Результаты измерений занести в таблицу 1.

2. С помощью электромагнитного прибора КИФМ-1 измерить величину коэрцитивной силы образцов различных сталей. Результаты измерений занести в таблицу 2. Оценить однородность сталей в пределах одной партии материала.

3. Определить толщину материала (образцы сталей) с помощью толщиномера УТ-93П, полученные результаты этих образцов сравнить с измеренными штангенциркулем. Результаты занести в таблицу 3.

4. Выводы по выполненной работе.

Таблица 1 – Сортировка металла по качеству

№ измерения	№ партии металла	Толщина металла, мм	Ток размагничи-вания,	Величина коэрцитив-ной силы,	Анализ полученных результатов

Таблица 2 - Оценка однородности стали внутри партии металла

№ измерения	№ партии	Толщина металла	Ток размагничивания	Величина коэрцитивной силы			Результат измерения

Таблица 3 - Определение толщины с помощью УТ93П

Номер измерения	Номер партии	Толщина металла , мм	Толщина, мм,

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается электромагнитный метод?

2. Как производится сортировка металла с помощью электромагнитного метода?

3. С помощью какого показателя оценивается однородность металла?

4. Как измерить толщину металла с помощью физических методов?

5. В чем преимущества неразрушающих методов при оценке состояния металла?

Приложение А