2003

А.М. Шанаурин, Г.И. Кравченко, А.З. Векслер, Б.В. Гусев

О необходимости пересмотра ГОСТ 21104-75

Обсуждаются некоторые недостатки ГОСТ 21104-75 «Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод». В частности — завышенные уровни чувствительности, неоправданные ограничения на область применения СОН и отсутствие указаний на величину, которую нужно измерять перед контролем.
(Журнал 'Дефектоскопия', №4, 2003 г., стр. 75-80 )

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, 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 H_t(x) = H_x(x) и нормальная H_n(x) =H_z(x) составляющие напряженности магнитного поля, а также градиент напряженности магнитного поля G(x) = H_n/x 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 — (1000-150000) А/м².

Использовались два стандартных образца в виде пластин с размерами 300×38×4 мм и шероховатостью R_a = 1,25 мкм из достаточно однородного материала.

Первый образец ОСО-Г-109 – пластина с азотированным поверхностным слоем толщиной около 100 мкм. Коэрцитивная сила материала пластины (сталь 20Х13) около 750 А/м. Искусственная трещина имеет ширину около 2 мкм и длину, равную ширине образца.

Второй образец ОСО-Г-033 представляет собой пластину, выполненную из стали 20 с коэрцитивной силой 235 А/м. Искусственная трещина — прорезь шириной 0,5 мм, глубиной 0,8 мм и длиной 10 мм — находится в центре рабочей поверхности пластины.

Рис 1. Зависимость градиента от координаты х для образца с трещиной 2 мкм (СПП)

Пластины намагничивались 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 H_t(x) в точках, расположенных на оси x вне дефекта, равно 1300 А/м. Ось x 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 с шириной 2 мкм должны определять один из уровней чувствительности феррозондовых дефектоскопов, например минимальный.

Расширение области применения СОН

Эксперимент выполнен с помощью образца ОСО-Г-033, который был обследован в рамках СПП и СОН. Сравнивались результаты контроля. При использовании СПП пластина была намагничена так, чтобы значение H_t(x) на ее середине составило около 200 А/м.

Рис 2. Сечение обрзца ОСО-Г-033 и зависимости Н_t(х), Н_n(х) и G(х) (СПП).

На рис. 2а показано сечение этого образца плоскостью, перпендикулярной трещине. Графики H_t(x), H_n(x) и G(x) приведены на рис. 2, б, в, г.

Из рис. 2б видно, что H_t(x) мало изменяется в средней части пластины. Экстремум над дефектом превышает среднее значение H_t(x) не более, чем на 10%. H_n(x) изменяется от отрицательных значений на левом крае до положительных на правом крае пластины (рис. 2в). Зафиксировать на этом фоне изменения H_n(x), вызванные дефектом, практически невозможно.

График G(x) (рис. 2г) характеризуется средним значением около 4000 А/м², обусловленным медленным изменением H_n(x) 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 H_t = 1700 А/м), после чего ток был выключен.

Графики зависимостей H_t(x) и G(x) полученные после отделения пластины от цепи магнитопровода приведены на рис. 3а, б. Характер этих зависимостей на рис. 2 и 3 совпадает с точностью до знака. Среднее значение напряженности поля H_t(x) = 200 А/м. График G(x) (рис. 3в) характеризуется средним значением равным минус 5000 А/м² и приращением над средним значением порядка минус 9000 А/м², определяемым трещиной.

Рис.3 Зависимости Н_t(x) и G(x) для образца ОСО-Г-033 (СОН); магнитная цепь разомкнута.

Таким образом, при использовании СПП и СОН одному и тому же значению тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля (H_t 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 H_t = 200 А/м значение индукции порядка Тл, в режиме СОН, около 0,006 Тл. Отсюда следует, что величиной, которую достаточно (после намагничивания контролируемого изделия) измерять и (при необходимости) корректировать для того, чтобы гарантировать достоверное выявление дефектов является тангенциальная составляющая поля намагничивания.

Среднее значение напряженности поля H_t(x) (рис. 3а) можно объяснить большим размагничивающим фактором пластины (N~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

При такой индукции напряженность магнитного поля в материале пластины близка к коэрцитивной силе.

Рис.4 Зависимости H_t(x) и G(x) для образца ОСО-Г-033 (СОН); магнитная цепь замкнута.

Графики H_t(x) и G(x) для замкнутой магнитной цепи приведены на рис. 4а, б. В данном случае H_t(x) определяется магнитными характеристиками материалов изделия и магнитопровода электромагнита, зазорами в магнитной цепи и профилем пластины. Среднее значение H_t в средней части пластины около 100 А/м, т.е. меньше, чем при СПП. Приращение G(x), вызванное трещиной может быть найдено как разность между наибольшим значением G(x) над трещиной (около 8000 А/м²) и средним значением G(x) 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 достоверности 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 [4] показано, что напряженность магнитного поля трещины пропорциональна J/(+h/b), где J – намагниченность, — проницаемость материала, h — глубина трещины, b — половина ширины трещины. При >> h/b магнитное поле трещины приблизительно пропорционально напряженности поля, при h/b >> — 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 H_t., а при меньших значениях проницаемости — намагниченностью материала изделия.

Учитывая, что нормативными документами (например, ГОСТ 21105—87) предусмотрено проведение контроля при > 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 изделий, 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. С.М. Ватолин, А.М. Шанаурин, В.Е. Щербинин. Комбинированные феррозондовые приборы Ф-205.03, Ф-205.30А, Ф-205.38. №Дефектоскопия» № 9, 2002, стр. 46—52.

2. Ф. Фёрстер. Неразрушающий контроль методом магнитных полей. Теоретические и экспериментальные основы выявления дефектов конечной и бесконечной глубины. «Дефектоскопия», № 11, 1982, стр. 3––24.

3. В.Е. Щербинин, Э.С. Горкунов «Магнитный контроль качества металлов», Екатеринбург: УрО РАН, 1996.

4. В.А. Сандовский, В.В. Дякин, О.В. Умергалина. Поле дефекта в виде эллиптического цилиндра в пластине, помещенной в однородное магнитное поле. «Дефектоскопия» № 11, 1999, стр. 46––55.

© ООО Микроакустика. При использовании материалов ссылка на эту станицу оязательна.