Федеральное агентство по образованию РФ Казанский Государственный Архитектурно-Строительный Университет Кафедра МК и ИС Отчет По научно-иследовательской практике. Методы и приборы неразрушающего контроля качества материалов и конструкций. Выполнил: Хасаншин Проверил: Хусаинов Д.М. Казань 2020 Понятие неразрушающего контроля Неразрушающий контроль - совокупность методов измерения и контроля показателей качества изделия без изменения присущих ему свойств, размеров и характеристик. Обычные методы измерения и контроля (напр., геометрических размеров или электрических характеристик) проводятся с целью установления соответствия изделия заданным требованиям или определения значений его параметров. Неразрушающий контроль позволяет получать дополнительную информацию, прямо или косвенно характеризующую изменения качества контролируемого объекта во времени, исключать уже при изготовлении потенциально ненадёжные изделия со скрытыми дефектами, отбирать наиболее надёжные образцы для работы в особо сложных условиях, определять причины возникновения скрытых дефектов, чтобы вовремя устранять их. Методы неразрушающего контроля основаны на анализе воздействия оптических, тепловых, акустических, радиационных и иных излучений на контролируемый объект, исследовании характера распространения в нём электромагнитных и упругих колебаний, изучении структуры материалов с помощью обычных и электронных микроскопов. Строго говоря, между обычным и неразрушающим контролем нет чёткой границы, кроме случаев, когда для определения, напр., механической прочности, термостойкости конструкций, твёрдости материалов, растворимости вещества их намеренно подвергают воздействию предельных нагрузок (до разрушения, необратимой деформации, воспламенения). Также, приводится такое определение: Неразрушающий контроль - определение показателей качества изделий и материалов без изменения присущих им свойств, параметров, характеристик с целью исключить (выбраковать) на стадии изготовления потенциально ненадежные изделия (некачественные материалы) со "скрытыми" дефектами. Осуществляется посредством воздействия на исследуемый объект различных излучений (например, электромагнитного, инфракрасного, рентгеновского), полей (например, ультразвукового, магнитного, электростатического) или веществ (например, лакмуса). А согласно постановлению Правительства РФ от 12.08.2010 N 623 (ред. от 04.09.2012) "Об утверждении технического регламента о безопасности объектов внутреннего водного транспорта": "Неразрушающий контроль" - контроль, при котором определяются характеристики материалов без разрушения изделий или изъятия образцов. Также Неразрушающий контроль (НК), говоря языком нормативных документов это контроль, который не разрушает (именно такое определение дано в ГОСТ 1650481 «Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения»). Кажущееся неполным и расплывчатым понятие обретает чёткие формы, стоит только разложить его «по полочкам». Так, под словом «контроль» подразумевается «измерение значений рабочих параметров и свойств объекта и их проверка на соответствие допустимым величинам». «Неразрушающий» означает «не требующий демонтажа или остановки работы объекта», «не подразумевающий непосредственного вмешательства в исследуемую среду». Методы неразрушающего контроля Методы, с помощью которых реализуется НК, называются методами неразрушающего контроля (далее МНК). МНК, в основе которых лежат схожие физические принципы, условно группируются в виды и внутри них классифицируются по трём признакам: · по характеру взаимодействия контролируемого объекта с физическим полем или веществом; · по первичному информативному параметру (характеристика проникающего вещества или физического поля, которая регистрируется после её взаимодействия с объектом контроля); · по способу, которым получают первичную информацию (первичная информация это регистрируемая после взаимодействия с контролируемым объектом совокупность характеристик проникающего вещества или физического поля). Мы рассмотрим МНК группами (в основу их объединения положена принадлежность какому-либо виду или, как уже отмечалось ранее - общность реализуемых в ходе применения физических принципов). Магнитные методы неразрушающего контроля Магнитные МНК основаны на анализе взаимодействия контролируемого объекта с магнитным полем и применяются, как правило, для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов объектов, изготовленных из ферромагнитных материалов. К основным магнитным методам НК относят магнитопорошковый, феррозондовый, индукционный и магнитографический метод. Самым распространённым и надёжным среди МНК своего вида является магнитопорошковый - основанный на возникновении неоднородности магнитного поля над местом дефекта. Для реализации метода необходимо подготовить поверхность контролируемого объекта, намагнитить её и обработать магнитной суспензией. Металлические частицы, попавшие в неоднородное магнитное поле, возникшее над повреждением, притягиваются друг к другу и образуют цепочные структуры (рис. 1), выявляемые при осмотре деталей. Рис.1 - Магнитопорошковый МНК Оставшиеся не рассмотренными методы магнитного контроля аналогичны. Единственное отличие - вместо магнитного порошка и последующего визуального контроля используются катушка индуктивности (индукционный метод), магнитная лента и датчик, оснащённый магнитной головкой (магнитографический метод), феррозондовый датчик, регистрирующий поля рассеивания (феррозондовый метод). Электрические методы неразрушающего контроля Электрические МНК основаны на регистрации и анализе параметров электрического поля, которое взаимодействует с объектом контроля или возникает в нём в результате воздействия извне. Первичными информативными параметрами служат потенциал и ёмкость. Рассмотрим суть электрических методов на примере электропотенциального метода, основанного на регистрации и анализе падения потенциала. Если к телу из металла (оно изображено на рис. 2) приложить электрическое напряжение, то в нём возникнет электрическое поле, причём точки с одинаковым потенциалом образуют эквипотенциальные линии. В местах дефектов возникнет падение напряжения, которое можно измерить с помощью электродов и сделать выводы о характере и масштабе повреждений. Рис.2 - Электропотенциальный МНК Кроме электропотенциального метода, применяемого для контроля качества проводниковых материалов, используют следующие электрические методы: · емкостной (контроль полупроводников и диэлектриков); · термоэлектрический (контроль химического состава материала); · электронной эмиссии; · электроискровой; · электростатического порошка (метод схож с магнитопорошковым). Вихретоковые методы неразрушающего контроля Вихретоковые МНК основаны на исследовании взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с наводимым в объекте контроля электромагнитным полем вихревых токов, имеющих частоту до 1 млн Гц. На практике данный метод используют для контроля объектов, которые изготовлены из электропроводящих материалов. С его помощью получают информацию о химическом составе и геометрическом размере изделия, о структуре материала, из которого объект изготовлен и обнаруживают дефекты, залегающие на поверхности и в подповерхностном слое (на глубине 2-3 мм). Типичный прибор используемый этим методом -- вихретоковый дефектоскоп. Принцип контроля заключается в следующем. С помощью катушки индуктивности 1 в объекте контроля 3 возбуждаются вихревые токи 2, регистрируемые приёмным измерителем, в роли которого выступает та же самая или другая катушка. По интенсивности распределения токов в контролируемом объекте можно судить о размерах изделия, свойствах материала, наличии несплошностей. Рис.3 - Вихретоковый МНК (прохождения) На рисунке 3 изображен вихретоковый метод прохождения (возбуждающая катушка и приёмник расположены по двум сторонам объекта). К основным методам вихретокового контроля также относят: · метод рассеянного излучения (регистрация рассеянных волн или частиц, отраженных от дефекта); · эхо-метод или метод отраженного излучения (регистрируются отраженные от дефекта поля и волны). Радиоволновые методы неразрушающего контроля Радиоволновые МНК основаны на регистрации и анализе изменения параметров, которыми обладают взаимодействующие с объектом контроля электромагнитные волны радиодиапазона (их длина составляет от 0,01 до 1 м). Данные методы могут применяться для контроля объектов, изготовленных из материалов, не «заглушающих» радиоволны - диэлектриков (керамика), полупроводников, магнитодиэлектриков и тонкостенных объектов из металла. Не будет ошибкой поставить в соответствие радиоволновым методам методы вихретоковые. Как и в случае вихретоковых МНК, аппаратура для реализации радиоволнового метода состоит из генератора 1 и приёмника волны 3. Пример взаиморасположения генератора, объекта контроля и приёмника волн приведён на рисунке 4. Рис.4 - Радиоволновой метод НМК (прохождения) По характеру взаимодействия объекта с волной различают радиоволновые методы прохождения, отражения и рассеивания; по первичному информативному параметру - фазовые, геометрические, амплитудно-фазовые и поляризационные МНК. Тепловые методы неразрушающего контроля Тепловые МНК в качестве пробной (несущей информацию) энергии используют распространяющуюся в объекте контроля тепловую энергию. Температурное поле напрямую зависит от происходящих в объекте процессах теплопередачи, особенности которых зависят от наличия дефектов (как внутренних, так и наружных). Основной информативный параметр тепловых МНК - разность температур между бездефектными и дефектными областями объекта. Температура может измеряться контактным и бесконтактным методом. В зависимости от характера взаимодействия контролируемого объекта и тепловой энергии различают активный (рис.5) и пассивный методы тепловых МНК. Активный метод заключается в следующем: контролируемый объект 6 с помощью внешнего источника 1 охлаждают или нагревают, а затем с помощью устройства контроля 5 измеряют тепловой поток температуру на его поверхности. Участкам повышенного или пониженного нагрева соответствуют дефекты 4. Рис.5 - Активный метод теплового НК При использовании пассивного метода (его называют методом собственного излучения) тепловые источники не используют. Вместо этого регистрируют тепловые потоки работающих объектов, ставя в соответствие местам повышенного нагрева неисправности и дефекты. Тепловые методы широко используются не только при контроле технологических процессов и качества изделий; также их применяют в медицине, астрономии, при мониторинге (лесных пожаров, например). Оптические методы неразрушающего контроля Оптические МНК основаны на регистрации и анализе параметров, присущих взаимодействующему с объектом оптическому излучению (к нему относятся электромагнитные волны длиной от 10-5 до 10-3 мкм). С помощью оптических МНК обнаруживают пустоты, поры, расслоения, трещины, инородные включения, геометрические отклонения и внутренние напряжения в объектах контроля. Информационными параметрами методов являются интегральные и спектральные фотометрические характеристики излучения. Наружный оптический контроль может применяться относительно объектов из любых материалов. Обнаружение внутренних дефектов (неоднородностей, напряжений) возможно только применительно к прозрачным объектам. Для контроля диаметров и толщины используют оптические методы, основанные на явлении дифракции, для контроля шероховатости и сферичности - на явлении интерференции. Оптический контроль может выполняться методами собственного (а), отраженного (б) и прошедшего (в) излучения. Рис. 6 - Схемы испытаний оптическими МНК Приёмное устройство может регистрировать следующие информативные параметры - амплитуду, степень поляризации и фазу волны, время её прохождения через объект, частоту или частотный спектр излучения. Радиационные методы неразрушающего контроля Радиационные МНК основаны на регистрации взаимодействующего с объектом проникающего ионизирующего излучения и его последующем анализе. В зависимости от вида ионизирующего излучения, слово «радиационные» в наименовании методов может заменяться на «рентгеновские», «нейтронные» и другие. Чаще всего для контроля используется гамма- и рентгеновское излучение, позволяющее выявить едва ли не любой дефект (как внутренний, так и поверхностный). Схема применения радиационного контроля методом прохождения (стоит отметить, что метод отражения практически не используется) приведена на рисунке 7. Источник 1 излучает поток, проходящий сквозь контролируемый объект 2. Излучение улавливается приёмником 3 и с помощью преобразователя 4 преобразуется в конечный результат. Рис. 7 - Схема применения радиационного контроля (метод прохождения) В зависимости от того, какой приёмник излучения 3 используется (сцинтилляционный счетчик фотонов и частиц, рентгеновская плёнка или флюоресцирующий экран), различают радиометрический, радиографический и радиоскопический методы. Первичным информативным параметром выступает плотность потока излучения, возрастающая в местах дефектов. Акустические методы неразрушающего контроля Акустические МНК основаны на регистрации и анализе параметров упругих волн, которые возбуждаются и/или возникают в объекте контроля. При использовании волн ультразвукового диапазона допустима замена названия группы методов на «ультразвуковые». Упругие волны, вернее, их параметры, тесно связаны с некоторыми свойствами материалов (анизотропией, плотностью, упругостью и др.), а если принять во внимание тот факт, что акустические свойства твёрдых объектов и воздуха значительно разнятся, становится понятным, почему с помощью акустических МНК возможно выявить наличие малейших дефектов (их ширина может не превышать 10-6 мм), определить качество шлифовки и толщину поверхности. Сфера использования акустических методов достаточно широка, например ультразвуковые дефектоскопы. Они могут применяться ко всем проводящим акустические волны материалам. В зависимости от характера взаимодействия с контролируемым объектом, различают пассивные и активные методы контроля. В первом случае регистрируются волны, возникающие в самом объекте (по шумам работающего устройства вполне можно судить о его исправности, неисправности и даже её характере). К активным же относятся методы, основанные на измерении интенсивности пропускаемого или отражаемого объектом акустического сигнала. Результаты применения активного акустического МНК представлены на рисунке 8. В левой части рисунка (а) изображен объект, не имеющий дефектов и соответствующий его проверке график, на котором отображены информативные параметры акустической волны (в данном случае время прохождения через объект). Справа (б) изображен график, соответствующий наличию дефекта. Рис.8 - Результат применения активного акустического МНК (отражения) Методы неразрушающего контроля проникающими веществами МНК проникающими веществами (ПВ) основаны на проникновении в полость дефекта контролируемого объекта специальных веществ. Когда речь идёт о выявлении слабозаметных или незаметных трещин на поверхности, МНК ПВ можно назвать капиллярными, в случае поиска сквозных - течеискания. При применении МНК ПВ дефекты окрашиваются индикаторной жидкостью (пенетрантом) и выявляются либо визуально, либо с помощью преобразователей. На этапе а поверхность контролируемого объекта очищается механическим и/или химическим методом, затем на неё наносится индикаторная жидкость (б). Она за полняет полости дефектов (в). Излишки пенетранта удаляются. На поверхность наносится проявитель, выявляющий признаки дефектов. Все рассмотренные выше методы контроля не требуют ни разрушения готовых изделий, ни вырезки образцов. Их применение позволяет избежать существенных временных и материальных затрат и частично автоматизировать операции контроля, повысив при этом надёжность и качество изделий. Классификация методов представлена в таблице Вид контроля Методы контроля по характеру взаимодействия физических полей или проникающих веществ с ОК по первичному информативному параметру Магнитный Магнитный Коэрцитивной силы Намагниченности Остаточной индукции Магнитной проницаемости Эффекта Баркгаузена Электрический Электрический Трибоэлектрический Термоэлектрический Электропотенциальный Электроемкостный Вихретоковой Прошедшего поля Отраженного поля Амплитудный Фазовый Частотный Временной Поляризационный Геометрический Радиоволновый Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Амплитудный Фазовый Частотный Временной Поляризационный Геометрический Резонансный Тепловой Тепловой контактный Конвективный Собственного излучения Термометрический Теплометрический Оптический Прошедшего излучения Отраженного излучения Рассеянного излучения Индуцированного излучения Амплитудный Фазовый Временной Частотный Поляризационный Геометрический Спектральный Радиациионный Прошедшего излучения Рассеянного излучения Активационного анализа Характеристического излучения Автоэмиссионный Плотности потока энергии Спектральный Акустический Прошедшего излучения Отраженного излучения Резонансный Импедансный Собственных колебаний Акустикоэмиссионный Амплитудный Фазовый Временной Частотный Спектральный История развития неразрушающего контроля Рентгеновский контроль Немецкий физик К. Рентген, проводя эксперименты с пучками электронов в сильно разреженной трубке (10-5 Па), обнаружил, что несмотря на то, что трубка была помещена в непроницаемом для видимого света картонном футляре, находившийся вблизи нее экран, покрытый двойной солью цианистого бария и платины, флюоресцировал всякий раз, когда через трубку проходил ток. Он пришел к заключению, что трубка испускает невидимые лучи, способные проникать сквозь непрозрачную для видимого света оболочку и вызывать свечение экрана. Было обнаружено, что лучи могут проходить через толстую книгу, лист алюминия толщиной 3 мм и тонкую свинцовую фольгу, и если поднести к экрану кисть руки, то можно отчетливо видеть контуры костей. В своем докладе в конце 1895 г. К. Рентген сообщил о главнейших свойствах открытого им излучения. Через несколько месяцев после этого сообщения был опубликован снимок сварного шва, полученный с помощью рентгеновского излучения. В 1908 г. было установлено, что в состав рентгеновского излучения входит характеристическое излучение. В 1912 г. М. Лауэ по открытым им явлениям дифракции и интерференции рентгеновского излучения при его взаимодействии с кристаллом экспериментально установил, что это излучение не отличается по своей природе от видимого излучения. Естественная радиоактивность была открыта А. Беккерелем в 1896 г., а в 1898 г. супруги Кюри получили из руды смоляной обманки хлористый радий. Естественные радиоактивные вещества эмитируют в основном три типа излучения: альфа-, бета- и гамма-. Позднее было установлено, что гамма-излучение представляет электромагнитное излучение той же физической природы, что и рентгеновское. Искусственные радиоактивные изотопы (радиоизотопы) были получены при использовании циклотронов (1930), а с появлением ядерных реакторов идентифицировано и изучено большое число радиоизотопов. Ядра радиоизотопов распадаются с выделением альфа-, бета- и гамма-излучения, однако не каждый изотоп дает все три типа излучения. Как известно, открытие и первые экспериментальные исследования ядерных реакций относятся к 1919 г. Э. Резерфорд и его сотрудники пользовались в этих работах излучением естественных радиоактивных элементов с энергией около 7,7 МэВ. Возникшая в 20-е годы идея о том, что в этих исследованиях частицы естественных элементов следует заменить искусственно полученными быстрыми частицами, кажется теперь настолько простой и очевидной, что автор ее никогда не упоминается. Л. В. Мысовский, возглавлявший физический отдел Государственного радиевого института при Российской Академии, был одним из первых физиков, поставивших задачу создать ускоритель заряженных частиц, сравнимых по энергии с естественными частицами (1922 г.). Первый электростатический ускоритель (на напряжение 80 кВ) был построен в 1929 г. Ван де Граафом. Первый ядерный реактор был запущен в США в 1942 г., в СССР-в 1946 г. Следует отметить, что при создании таких перспективных для НК ускорителей, как бетатрон и волноводный линейный ускоритель электронов, от зарождения идеи до ее реализации потребовался достаточно большой срок - первый бетатрон был запущен в 1940 г., а первый линейный ускоритель электронов - в 1946 г. Бетатрон был бы создан намного раньше, если бы была разработана достаточно полная теория его функционирования, объединяющая полученные ранее результаты. Волноводный ускоритель не мог быть построен до появ ления мощных генераторов сантиметровых волн. В СССР первый бетатрон был создан в Томском политехническом институте под руководством А. А. Воробьева. Микротрон - циклический резонансный ускоритель электронов, который был предложен в 1944 г. физиком В. В. Векслером на основе открытого им принципа автофазировки. Отечественная рентгеновская промышленность была создана во второй половине 20-х годов. Пионерами в области разработки и производства рентгеновских аппаратов были В. В. Витка и А И. Тхоржевский, а в области разработки рентгеновских трубок --Ф. Н. Хараджа. Большую роль в отечественном аппаратостроении сыграла деятельность В. К. Шмелева и В. А. Цукермана. Работы В. А. Цукермана и его сотрудников являются основополагающими в области импульсного рентгеноаппаратостроения. Основы метода радиационного контроля были разработаны в конце 30-х годов, что нашло свое отражение в книге А. К. Трапезникова «Просвечивание материалов лучами Рентгена» (1939). До 1947 г. существующие источники излучения позволяли просвечивать объекты контроля из стали толщиной до 50 мм. История нейтронной радиографии восходит к открытию нейтрона в начале 30-х годов. Первые работы по нейтронной радиографии были выполнены в 1930--1940 гг., специалисты СССР начали активно работать в этой области в 70-х годах. Использовать полупроводники для воспроизведения изображений впервые предложил русский изобретатель Е. Е. Горин в 1916 г. Первый электрорентгенографический снимок был получен в 1938 г., в мире работы по электрорентгенографии стали проводить с 1950--1951 гг., а в СССР --с 1959 г. С конца 30-х годов, когда в промышленности стало использоваться рентгеновское оборудование, и вплоть до недавнего времени рентгеновская техника почти не прогрессировала. Даже в начале 50-х годов рентгеновское оборудование, использовавшееся в промышленности, представляло главным образом несколько измененные рентгеновские установки медицинского назначения, причем наиболее существенные изменения были направлены на повышение лучевой отдачи излучателей, уменьшение размеров фокусного пятна и удобство эксплуатации. Преобразование рентгеновского излучения в форму, удобную для визуального наблюдения, производилось либо с помощью флуоресцирующих экранов (рентгеноскопия), либо с помощью фотоэмульсии (рентгенография). Рентгеновская техника начала интенсивно развиваться с середины 60-х годов, когда серийно стали выпускаться рентгеновские трубки с анодным напряжением 200 и 250 кВ и током до 8 мА. Увеличение тока с 5 до 8 мА существенно облегчило получение рентгенограмм и привело к значительному уменьшению времени экспозиции. В последние годы ряд зарубежных фирм начал серийное производство микрофокусного рентгеновского оборудования (диаметр фокусного пятна менее 0,1 мм) и аппаратуры, укомплектованной высокочастотными и высоковольтными генераторами с постоянным (сглаженным) напряжением. С 50-х до середины 60-х годов бурно расширялась сфера применения электроннооптических преобразователей (ЭОП), изобретенных Холстом и де Буром в 1934 г. Были выявлены преимущества ЭОП при усилении яркости изображения и при использовании их в рентгеновской технике. С этого момента стал интенсивно один из основных методов НК--метод радиационной интроскопии (радиоскопии). Одним из первых радиационных электронно-оптических преобразователей (РЭОП) стал усилитель радиационного изображения «Флюоренс» с рентгеновским флуоресцентным экраном, размещенным внутри вакуумной колбы ЭОП, и электроннооптическим уменьшением масштаба изображения, описанный Кольтменом в 1948 г. Рентгенофлюоресцентное вещество было нанесено на одну сторону тонкой стеклянной подложки, а фотокатод -- на другую. Конструкция и технология изготовления первых отечественных РЭОП с уменьшением масштаба изображения были разработаны М. М. Бутсловым с сотрудниками. Возрастающие требования к качеству изображения контролируемых объектов привели в начале 80-х годов к необходимости цифровых методов их обработки. Таким образом, комбинация источников проникающего излучения, радиационнооптических преобразователей, телевизионных и цифровых систем позволила получить высококачественные изображения непрозрачных объектов в реальном времени и производить их автоматическую обработку. Термин «реальное время» означает, что определенные задачи могут быть решены за время длительности одного или нескольких телевизионных кадров. Развитие радиационного контроля как нового современного метода НК неразрывно связано с именем проф. С. В. Румянцева и его школой. В монографии С. В. Румянцева «Радиационная дефектоскопия» (1968) наряду с детальным описанием и обсуждением различных методов и средств радиационного контроля рассмотрены вопросы защиты от ионизирующих излучений и влияния дефектов на механические свойства изделий. Важный вклад в развитие отечественного радиационного контроля внесла томская школа физиков, основанная проф. А. А. Воробьевым. Ее представители: проф. В. И. Горбунов, занимающийся вопросами контроля с использованием источников высоких энергий, радиационной интроскопии, проф. В.А. Кононов - вопросами контроля с использованием электронного и протонного излучения, проф. В. А. Воробьев -- вопросами радиационной гранулометрии, гаммаплотнометрии. .
