УДК 620.179.14
О НЕОБХОДИМОСТИ ПЕРЕСМОТРА ГОСТ 21104—75
А. М. Шанаурин, Г. И. Кравченко, А. 3. Векслер, Б. В. Гусев
Обсуждаются некоторые недостатки ГОСТ 21104—75 "Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод". В частности — заниженные уровни чувствительности, неоправданные ограничения на область применения СОН и отсутствие указаний на величину, которую нужно измерять перед контролем.
На сегодняшний день ГОСТ 21104—75 в значительной мере устарел и имеет много недостатков. Один из них — отсутствие условных уровней чувствительности метода, которые соответствуют достигнутым на сегодняшний день весьма малым размерам выявляемых трещин. О каких размерах трещин идет речь? На этот вопрос частично отвечают результаты эксперимента, описанного в работе.
Другой недостаток — жесткое ограничение на область применения способа остаточной намагниченности (СОН). Этим способом ГОСТ 21104—75 рекомендует контролировать изделия из материалов, имеющих коэрцитивную силу не меньше, чем 1280 А/м. Для изделий из материала с коэрцитивной силой менее 1280 А/м ГОСТ рекомендует использовать менее удобный способ приложенного поля (СПП). В действительности СОН можно применять (при сохранении высокой достоверности контроля) при значительно меньших значениях коэрцитивной силы. Авторы делают попытку оценить нижнюю границу коэрцитивной силы для СОН.
Еще один недостаток — отсутствие указаний на величину, которую достаточно (после намагничивания контролируемого изделия) измерять и (при необходимости) корректировать для того, чтобы гарантировать достоверное выявление дефектов. В работе показано, что при малых значениях коэрцитивной силы материала контролируемого изделия такой величиной является тангенциальная составляющая поля намагничивания.
%
СРЕДСТВА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследований применялся серийно выпускаемый комбинированный феррозондовый прибор Ф-205.03 [1], который использовался как пороговый дефектоскоп и измеритель. С помощью измерителя определялись тангенциальная Нх(х) - Нх(х) и нормальная Нп{х) = Нрс) составляющие напряженности магнитного поля, а также градиент напряженности магнитного поля Ох) = дН^х с погрешностью не более 10 %. Оси координат привязаны к донышку феррозондового преобразователя в соответствии с рис. 1 в [1]. Пределы измерения напряженности поля (40— 3000) А/м, градиента — (1000—150 000) А/м2.
Использовались два стандартных образца в виде пластин размерами 300x38x4 мм и шероховатостью = 1,25 мкм из достаточно однородного материала.
Первый образец ОСО-Г-Ю9 — пластина с азотированным поверхностным слоем толщиной около 100 мкм. Коэрцитивная сила материала пластины (сталь 20X13) около 750 А/м. Искусственная трещина имеет ширину около 2 мкм и длину, равную ширине образца.
Второй образец ОСО-Г-ОЗЗ представляет собой пластину, выполненную из стали 20 с коэрцитивной силой 235 А/м. Искусственная тре-
щина — прорезь шириной 0,5 мм, глубиной 0,8 мм и длиной 10 мм — находится в центре рабочей поверхности пластины. Пластины намаг-
С, А/м2 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000
0 50 100 150 200 х, мм
Рис. 1. Зависимость градиента от координаты х для образца с трещиной 2 мкм (СПП).
ничивались электромагнитом, контроль проводился в рамках СПП и СОН.
МИНИМАЛЬНЫЕ РАЗМЕРЫ ВЫЯВЛЯЕМЫХ ТРЕЩИН
Измерения и контроль проводились на стандартном образце ОСО-Г-109 с использованием СПП при среднем значении Н%{х) в точках, расположенных на оси х вне дефекта, равном 1300 А/м. Ось х проходит по поверхности образца перпендикулярно трещине через ее середину. График G(x) показан на рис. 1. Вблизи трещины наблюдается острый пик, который легко обнаруживается, что было подтверждено дефектоскопом. Таким образом, трещины шириной 2 мкм должны определять один из уровней чувствительности феррозондовых дефектоскопов, например минимальный.
РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОН
Эксперимент выполнен с помощью образца ОСО-Г-ОЗЗ, который был обследован в рамках СПП и СОН. Сравнивались результаты контроля. При использовании СПП пластина была намагничена так, чтобы значение Я (х) на ее середине составило около 200 А/м.
На рис. 2а показано сечение этого образца плоскостью, перпендикулярной трещине. Графики #х(х), Нп{х) и G(x) приведены на рис. 26, в, г.
Из рис. 26 видно, что #т(х) мало изменяется в средней части пластины. Экстремум над дефектом превышает среднее значение Нт(х) не более, чем на 10 %. Нп(х) изменяется от отрицательных значений на левом крае до положительных на правом крае пластины (рис. 2в). Зафиксировать на этом фоне изменения Нп(х), вызванные дефектом, практически невозможно.
График G(x) (рис. 2г) характеризуется средним значением около 4000 А/м2, обусловленным медленным изменением Нп{х) в рабочей части образца (рис. 2в) и максимальным приращением над средним значением порядка 7000 А/м2, вызванным трещиной.
Для исследования возможности использования СОН ток электромагнита устанавливался максимальным (достигнуто значение Нх = 1700 А/м), после чего ток был выключен.
Графики зависимостей Нх(х) и Ох) полученные после отделения пластины от цепи магнитопровода приведены на рис. За, б. Характер этих зависимостей на рис. 2 и 3 совпадает с точностью до знака. Среднее значение напряженности поля Нх{х) = 200 А/м. График 0,х) (рис. Зв) характеризуется средним значением, равным минус 5000 А/м2 и приращением над средним значением порядка минус 9000 А/м2, определяемым трещиной.
Таким образом, при использовании СПП и СОН одному и тому же значению тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля {Нх около 200 А/м) соответствуют близкие по абсолютной величине (соответственно 7000 А/м2 и 9000 А/м2) приращения градиента, вызванные трещиной. Вместе с тем в СПП при Н = 200 А/м значение индукции порядка 1 Тл, в режиме СОН, около 0,006 Тл. Отсюда следует, что вели-
чиной, которую достаточно (после намагничивания контролируемого изделия) измерять и (при необходимости) корректировать, для того чтобы гарантировать достоверное выявление дефектов, является тангенциальная составляющая поля намагничивания.
1200 1000 800 .а 600 <400 ¡с 200
о
-200 -400
о о о
х <
О
о -2 -4 -6
X, мм
Рис. 3. Зависимости Н^х) и й{х) для образца ОСО-Г-ОЗЗ (СОН); магнитная
цепь разомкнута.
Среднее значение напряженности поля Нх(х) (рис. За) можно объяснить большим размагничивающим фактором пластины (№ —0,05).
При воздействии поля с напряженностью, примерно в семь раз большей коэрцитивной силы, материал пластины намагничивается почти до насыщения. После выключения намагничивающего тока и отделения пластины от магнитной цепи магнитное состояние материала изменяется по нисходящей ветви петли гистерезиса тела, близкой к предельной. Остаточная индукция в пластине равна
Вгт = tf .ii/V = 0,006 Тл.
При такой индукции напряженность магнитного поля в материале пластины близка к коэрцитивной силе.
Графики Нх(х) и С(х) для замкнутой магнитной цепи приведены на рис. 4а, б. В данном случае Нх(х) определяется магнитными характеристиками материалов изделия и магнитопровода электромагнита, зазорами в магнитной цепи и профилем пластины. Среднее значение Я в средней части пластины около 100 А/м, то есть меньше, чем при СПП. Приращение С(х), вызванное трещиной, может быть найдено как разность между наибольшим значением С(х) над трещиной (около 8000 А/м2) и средним значением в этой области (около 4000 А/м2) и составляет примерно 4000 А/м2. Это не означает, что применение СОН в замкнутой
магнитной цепи нецелесообразно. Экспериментальные исследования показывают возможность проведения контроля с высоким уровнем досто-
Рис. 4. Зависимости Н%(х) и С{х) для образца ОСО-Г-ОЗЗ (СОН); магнитная
цепь замкнута.
верности в подобных условиях подбором зазоров, материала и размеров магнитопровода электромагнита.
СРАВНЕНИЕ С РЕЗУЛЬТАТАМИ РАСЧЕТОВ
Результаты расчетов магнитных полей трещины приведены в работах [2—4]. Так, в [3] показано, что напряженность магнитного поля трещины пропорциональна //((I + к/Ь), где / — намагниченность; |1 — проницаемость материала; И — глубина трещины; Ъ — половина ширины трещины. При |1 » ¡г/Ь магнитное поле трещины приблизительно пропорционально напряженности поля, при И/Ь » Ц — намагниченности. Первый случай соответствует материалам с малой коэрцитивной силой, второй — с очень большой. Сходные результаты получены в работе [4], согласно которой при проницаемости более 40 магнитное поле трещины определяется составляющей напряженности Я , а при меньших значениях проницаемости — намагниченностью материала изделия.
Учитывая, что нормативными документами (например, ГОСТ 21105—87) предусмотрено проведение контроля при ц > 40, из этих работ можно сделать вывод о зависимости поля трещины от напряженности магнитного поля в материалах с небольшой коэрцитивной силой.
ВЫВОДЫ
1. Показано, что нижнюю границу ширины условного дефекта, характеризующего уровень чувствительности феррозондовых дефектоскопов, можно установить равной 2 мкм.
2. Применение современных высокочувствительных феррозондовых дефектоскопов позволяет расширить область применения СОН для из-
делий, материалы которых имеют коэрцитивную силу не менее 200 А/м. Представляется целесообразным отразить этот факт при пересмотре стандарта.
3. Показано, что при малых значениях коэрцитивной силы материала контролируемого изделия, величиной, которую достаточно (после намагничивания контролируемого изделия) измерять и (при необходимости) корректировать, для того чтобы гарантировать достоверное выявление дефектов, является тангенциальная составляющая поля намагничивания.
4. Показана возможность применения результатов работ [3, 4] при контроле СОН.
Институт физики металлов Поступила в редакцию
УрО РАН 6 декабря 2002 г.
ООО "Микроакустика" г. Екатеринбург
ЛИТЕРАТУРА
1.Ватолин С. М., Шанаурин А. М., Щербинин В. Е. Комбинированные феррозондовые приборы Ф-205.03, Ф-205.30А, Ф-205.38.— Дефектоскопия, 2002, № 9, с. 46—52.
2.Ферстер Ф. Неразрушающий контроль методом магнитных полей.Теоретические и экспериментальные основы выявления дефектов конечной и бесконечной глубины.— Дефектоскопия, 1982, № U.c. 3—2
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.