УДК 539.4:538.3
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ДЕФЕКТОСКОПИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Т.В. Фурса
Предложен неразрушающий способ электромагнитной дефектоскопии изделий, который основывается на взаимосвязи характеристик электромагнитного отклика на ударное возбуждение в зоне упругой деформации с наличием в изделии дефектов структуры. С использованием предложенного метода можно определять координаты расположения дефектов внутри контролируемого изделия.
Процесс механоэлектрических преобразований при ударном возбуждении композиционных диэлектрических материалов в зоне упругой деформации протекает в два этапа: первый — электризация материала в точке удара и второй — механоэлектрические преобразования на границе раздела матрицы и заполнителя [1,2]. Задачей данной работы является изучение влияния геометрии расположения неоднородностей в композиционных диэлектрических материалах на параметры электромагнитного отклика на ударное возбуждение и разработке на этой основе нового метода определения дефектности материалов.
Эксперименты по измерению электромагнитного и акустического откликов на ударное возбуждение проводили следующим образом. По поверхности образцов производили ударное возбуждение с помощью стального шарика, который бросали с некоторой высоты. В качестве приемника использовали емкостный датчик. Регистрацию электромагнитного и акустического откликов осуществляли с помощью специального двух-канального прибора, совмещенного с персональным компьютером, позволяющего производить оцифровку откликов с определенным шагом дискретизации. Электрический и акустический датчики располагали с противоположной от точки удара стороны. В момент бросания шарика производили запуск прибора и регистрировали электромагнитный и акустический отклики.
Показано, что при ударном возбуждении образцов из цементного камня, моделирующего бездефектную однокомпонентную систему, регистрируется одиночный электромагнитный отклик с практически линейным возрастанием переднего фронта (рис. 1, кривая 1).
При ударном возбуждении двухкомпонентной гетерогенной системы, состоящей из цементной матрицы и, например, металлического включения, форма электромагнитного отклика имеет другой вид, в котором присутствует хорошо выраженная колебательная составляющая, связанная с возбуждением акустическими волнами, формирующимися в образце двойных электрических слоев на границе матрицы и включения (рис. 2). Наличие одиночного электромагнитного отклика при ударном возбуждении цементного камня (рис. 1, кривая 1), опережающего по времени прихода (г— время задержки) акустический сигнал (рис. 1, кривая 2), свидетельствует в пользу того, что он связан с процессом электризации поверхности образца в момент удара за счет трибоэлектрического эффекта.
При испытании модельных двухкомпонентных материалов на основе цементного вяжущего и одиночных металлических включений было установлено, что на фоне первого импульса электромагнитного отклика, связанного с трибоэлектрическим эффектом, наблюдается импульсное искажение (рис. 2). Наличие импульсного искажения на электромагнитном отклике связано с тем, что при движении фронта упругого ударного
возбуждения через образец происходит возбуждение двойного электрического слоя на границе матрицы и включения [3] или возбуждение акустической волной статического заряда, обусловленного кривизной поверхности пор и трещин [4].
3,8 4,0
Время, мс
Рис. 1. Типичная форма электромагнитного 1 и акустического отклика 2 на ударное возбуждение цементного камня.
Рассмотрим процесс ударного возбуждения при ударном возбуждении композиционных диэлектрическрхх материалов на примере модельного образца, состоящего из цементной матрицы и единичного включения. Схема формирования переменных электрических полей, возникающих
Время, мс
Рис. 2. Типичная форма электромагнитного отклика цементного образца с единичным металлическим включением.
при ударном возбуждении такой системы, приведена на рис. 3. Поле Е определяется трибоэффектом при контакте металлического шарика с поверхностью образца. Далее фронт возбуждения, проходя через границы между матрицей и включением, последовательно смещает эти границы и приводит к изменению дипольного момента двойных электричес-
Неразрушающий электромагнитный метод дефектоскопии..
29
ких слоев, находящихся на них. Смещение будет определяться характеристиками возбуждающего ударного импульса. Причем, проходя через две противоположные границы включения направление электрического поля, связанного с акустическим возбуждением двойных электрических слоев будет менять свое направление.
Рис. 3. Схема формирования переменных электрических полей, возникающих при ударном возбуждении образца, состоящего из квазигомогенной матрицы и единичного включения.
Для моделирования предложенной модели поступим следующим образом. Используем электромагнитный отклик, зарегистрированный при ударном возбуждении цементного камня без включения. В этом случае электромагнитный отклик имеет вид практически одиночного сигнала, связанного с трибоэлектрическим эффектом. Форма электромагнитного отклика отражает скорость изменения нагрузки в процессе ударного нагружения, то есть импульса возбуждения. Затем, используя схему эксперимента и считая, что изменение дипольного момента на границах включения будет происходить по зависимости, определяемой импульсом возбуждения, получим расчетный характер изменения электромагнитного отклика в такой системе.
На рис. 4 представлены характерная форма электромагнитного отклика, который должен иметь место при реализации предложенной модели, где 1 — импульс, связанный с трибоэффектом; 2 — сигнал, соответствующий изменению дипольного момента двойного электрического слоя, находящегося на первой границе включения; 3 — импульс, связанный с возбуждением второй границы включения; 4 — суммарный сигнал, полученный при наложении всех описанных процессов.
Для экспериментальной проверки предложенной модели был использован метод физического моделирования. Показано, что в зависимости от глубины расположения включения относительно точки удара момент появления импульсного искажения изменяет свое расположение.
Время, отн. ед.
Рис. 4. Моделирование процесса формирования электромагнитного отклика из квазигомогенного образца и единичного включения.
На рис. 5 представлены электромагнитные отклики, полученные при ударном возбуждении образца размером 50x50x100 мм, состоящего из цементного камня и единичного включения, представляющего собой монокристалл ЫБ размером 3x10x10 мм, расположенном на глубине 30 мм параллельно малой плоскости. На рис. 5а представлен электромагнитный отклик, зарегистрированный при ударе по поверхности, от которой включение отстоит на глубине 30 мм, а на рис. 5б — при ударе по противоположной стороне, то есть в этом случае включение отстоит от точки удара на расстояние 60 мм. Из рисунков видно, что импульсное искажение смещается относительно начала сигнала. Была определена скорость звука в данном образце и показано, что импульсное искажение электромагнитного отклика наблюдается на участке, отстоящем от начала электромагнитного отклика на время 1 = 1/с, где I — глубина залегания включения, с — скорость звука в испытываемом материале. Естественным образом искажения, связанные с прохождением фронта акустического возбуждения через границы включения, наблюдаются на протяжении всей временной реализации электромагнитного отклика.
Следовательно, наличие на электромагнитном отклике импульсного искажения свидетельствует о наличии в изделии дефекта структуры, а по времени появления этого искажения можно определить глубину залегания этого дефекта. Аналогичная картина искажения электромагнитного отклика наблюдается в случае наличия в изделии не только включения, но и пустот, раковин и трещин.
Точность определения глубины залегания дефекта предложенным способом определяется частотой оцифровки регистрирующей аппаратуры и зависит от скорости звука в данном материале. Были проведены испытания модельных образцов цементного камня с включениями различных размеров и получено, что минимальный размер дефекта, который
Неразрушающий электромагнитный метод дефектоскопии.
31
регистрируется с помощью предлагаемого способа, составляет порядка 3 мм при глубине его залегания 30 см.
Искажение А а
- % \ /
-1,0 Л-,-,-.-,-г
0" 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Время, мс
Рис. 5. Начальные участки электромагнитных откликов, зарегистрированных при ударном возбуждении образца, состоящего из цементного камня и единичного включения, представляющего собой монокристалл ЫР.
Если в изделии имеется несколько дефектов, случайным образом распределенных по объему изделия, то последовательно перемещая ударное устройство и электромагнитный датчик по площади поверхности испытываемого изделия и каждый раз регистрируя электромагнитный отклик, формируем базу данных в памяти ЭВМ, на основе которой с помощью специальных программ обработки строится картина распределения дефектов по площади и по глубине, то есть координат расположения дефектов внутри изделия. Место расположения дефекта по площади определяется путем нахождения участков изделия с повышенным значением амплитуды электромагнитного отклика при его сканировании датчиком малого размера, так как ранее было установлено, что при сканировании поверхности композиционного материала наблюдается повышение амплитуды в местах расположения дефектов структуры.
На рис. 6 приведена двумерная картина распределения дефектов в модельном образце размером 100x100x100 мм на основе цементного вяжущего и двух дефектов: металлического включения размером 5x5x1 мм, находящегося на глубине 30 мм, и искусственной сферической пустоты диаметром 6 мм на глубине 70 мм. На рисунке глубина дефекта для наглядности отмечена различными цветами, чем глубже расположен дефект, тем в более светлый тон он окрашен. Кроме того, глубина залегания дефекта, определенная с помощью предлагаемого способа, приведена ря-
32
T.B. Фурса
дом с его изображением. Точность определения глубины залегания приведенных выше дефектов составила соответстве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.