Тема 8

Физические основы магнитного контроля

ВВЕДЕНИЕ

Магнитный контроль получил широкое распространение благодаря тому, что изделия из сплавов железа получили самое широкое распространение для удовлетворения потребностей человека. Именно особые магнитные свойства железа и его сплавов по сравнению со многими другими материалами привели к развитию магнитных методов контроля. Магнитный контроль в ряде случаев достаточно дешево и надежно позволяют выявлять поверхностные и подповерхностные дефекты и осуществлять другие задачи неразрушающего контроля.

1. ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА

1.1 Основы. Магнитные эффекты. Область применения

Все вещества в природе состоят из элементарных частиц, обладающих магнитными свойствами.

Любое вещество состоит из атомов, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны, причем электроны находятся в непрерывном движении. Следовательно, внутри и вокруг атомов существуют микроскопические электрические токи, которые порождают результирующее магнитное поле (рис.1).

Электрический ток – направленное (упорядоченное) движение частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.

Электромагнитное поле – особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами и обмен ими энергией. Характеризуется такими величинами как напряженности или индукции электромагнитных полей.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами Поле действует только на движущиеся электрически заряженные частицы и тела, на проводники с токами и на частицы и тела, обладающие магнитной проницаемостью.

Однако все материалы могут рассматриваться как имеющие магнитные свойства, а, следовательно, все они могут реагировать на наличие внешнего магнитного поля.

Магнитная стрелка в магнитном поле устанавливается по направлению магнитных силовых линий. В соответствии с этим магнитным силовым линиям приписывают направление, совпадающее с направлением, указываемым северным концом магнитной стрелки компаса (так как на северном полюсе находится южный магнитный полюс Земли).

Магнитные поля на чертежах изображают замкнутыми непересекающимися кривыми, которые называют магнитными силовыми линиями. Магнитные поля считаются непрерывными в пространстве и убывающими до близких к нулю значений на больших расстояниях от проводника с током так, что таким магнитным полем уже можно пренебречь и считать отсутствующим.

Участок поверхности тела, из которого выходят магнитные силовые линии, условно назвали Северным магнитным полюсом «N», а другой, участок поверхности, на котором силовые линии входят в тело, – Южным «S».

Магнитное поле в магнитных методах НК используется для намагничивания и размагничивания проверяемых объектов.

Магнитные силовые линии следуют в пространстве по пути наименьшего сопротивления. В куске железа (в ферромагнетиках), помещённом между полюсами магнита, силовые линии сконцентрированы в большей степени, чем в воздухе или немагнитном материале, находящееся вокруг, так как железо обладает большей магнитной проницаемостью.

Другим важным свойством магнитного поля является то, что оно всегда возникает в перпендикулярной плоскости, в которой движутся электрические заряды. Наиболее простые и часто встречающиеся примеры такого взаимодействия электрических зарядов и магнитного поля приведены на рис. 2 и 3. Штриховыми линиями на рис. 3 обозначены силовые линии магнитного поля. Каждая силовая линия – кривая, на которой напряженность магнитного поля одинакова по величине и направлена по касательной в каждой ее точке. Напряженность магнитного поля – силовая характеристика магнитного поля, зависящая от силы тока и расстояния до проводника с током.

На рис. 2 представлен соленоид, или катушка, в которой ток течет по круговой спирали витков, соответственно магнитные силовые линии внутри соленоида направлены вдоль его продольной оси. У крайних витков соленоида образуются магнитные полюсы S и N.

Внутри соленоида плотность силовых линий высока и напряженность поля примерно одинакова, однако она сильно ослабляется за пределами внутренней части соленоида.

Силовые линии проводника с током (рис. 3) имеют вид концентрических окружностей, расположенных вокруг проводника в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.

Если буравчик вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока в проводнике, то направление движения рукоятки укажет направление силовых линий.

Вокруг проводника с током возбуждается неоднородное магнитное поле. Неоднородное магнитное поле – магнитное поле, магнитные силовые линии которого в различных точках пространства имеют различные направления и величину. Это поле так же убывает при удалении от проводника с током обратно пропорционально расстоянию.

Напряженность зависит от полного тока, охватываемого линией l. На примере рисунка 3 видно, что ток течет только по проводнику, охватываемому линиями, и в данном случае на каждый контур он будет влиять одинаково по формуле:

H = I / (2·π·r),

где 2πr – длина силовой линии l, I – сила тока.

Так же магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами (рис. 4), в которых силовые линии идут частично внутри магнита от полюса к полюсу, а частично по внешнему пространству, и их большая часть сосредоточена на кратчайшем расстоянии от полюса к полюсу.

Магнитное поле обладает следующими свойствами:

– силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, никогда не пересекаются и проходят через любую среду, в том числе вакуум;

– магнитное поле взаимодействует только с движущимися эклектическими зарядами, с неподвижными – не взаимодействует;

– магнитные поля взаимодействуют друг с другом, поля одного направления – отталкиваются (одинаковые полюса отталкиваются), поля различных направлений – притягиваются (разные полюса притягиваются);

– магнитные поля непрерывны в пространстве;

– при большом удалении от источника магнитные поля ослабевают настолько, что ими можно пренебречь.

На рисунках 2-4 приведены примеры магнитного поля в виде линий. Следует сразу отметить, что большая часть магнитных величин – векторные, то есть направленные. В физике есть величины, которые имеют смысл только когда они имеют какое-либо направление.

Например, если человек движется, то он имеет не нулевую скорость, если же он остановится, то скорость будет равна нулю, ее нет, и, следовательно – нет движения. Так и магнитное поле характеризуется силовыми величинами, показывающими направление притяжения или отталкивания.

1.2 Характеристики магнитного поля

Магнитная индукция

Магнитная индукция B – силовая характеристика магнитного поля, характеризующая его интенсивность в точке пространства, векторная величина. Это значит, что она характеризуется в каждой точке поля численным значением и направлением в пространстве.

В системе единиц СИ магнитная индукция измеряется в «Теслах», Тл.

В системе единиц СГС – в «Гауссах», Гс.

1Тл = 10⁴ Гс;

1 Гс = 10^-4 Тл.

Направление линии магнитной индукции в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением касательной к магнитной линии (линии магнитной индукции), проходящей через эту точку.

При магнитном контроле B раскладывают на две составляющие (рис.5):

– нормальную составляющую В_n, направленную перпендикулярно к поверхности проверяемой детали;

– тангенциальную В_t, направленную вдоль поверхности или параллельно поверхности детали.

Магнитная индукция зависит от:

– силы тока;

– размеров и формы проводника или катушки;

– магнитных свойств среды или магнитопровода той точки, в которой измеряется магнитная индукция.

Магнитную индукцию можно определить по механическому действию магнитного поля на проводник с током по правилу «левой руки» (рис. 6). Если ладонь левой руки поместить в магнитное поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь и четыре вытянутых пальца ее указывали направление тока в проводнике, то отставленный большой палец покажет направление действия механической силы.

Магнитный поток

Магнитным потоком Ф называют величину, которая показывает общее действие магнитных силовых линий поля, проходящих через поперечное сечение магнитопровода или среды. В каждой отдельной точке сечения материала магнитная индукция может отличаться в силу свойств материала, но в целом через определенное заданное сечение проходит именно магнитный поток.

Единица измерения магнитного потока – Вб.

В однородном поле (в котором магнитная индукция соседних точек практически не отличается друг от друга) магнитный поток Ф, пронизывающий плоскость S, нормаль которой расположена под углом α к магнитным силовым линиям (рис.7), равен:

Ф = В·S·cos(α),

где S – площадь, м².

Таким образом, магнитный поток Ф графически характеризуется совокупностью (количеством) силовых линий магнитного поля, а магнитная индукция В – их плотностью.

Из рис. 7 видно, что если мы лист развернем по отношению к потоку, то через него будет проходить меньше силовых линий, то есть поток будет слабее. А если лист повернем вдоль силовых линий, то весть поток пройдет мимо, cos α станет для угла 90° равным 0 и поток также станет равным нулю через такой лист (если, конечно, пренебречь его толщиной).

Напряженность магнитного поля

Так как магнитная индукция зависит от свойств среды, то это обстоятельство усложняет технические расчеты. Поэтому введена теоретическая величина - напряженность магнитного поля H, которая зависит:

– от силы тока,

– размеров и формы источника, создающего магнитное поле,

– от места расположения точки по отношению к этому источнику.

Эта величина очень удобна для расчета создаваемого магнитного поля каким-либо проводником и без учета среды. Кроме того, так как измерения поля всегда происходят в воздухе, рядом с объектом контроля (ведь мы не можем погрузить датчик в твердое тело и изменить материал датчика на аналогичный измеряемому телу)), то напряженность поля всегда в этом случае пропорциональна магнитной индукции:

H = В / µ_a

µ_a – величина, характеризующая магнитные свойства среды (абсолютная магнитная проницаемость), Гн/м.

Напряженность магнитного поля H не зависит от магнитных свойств среды, в которой создается магнитное поле:

Единицей измерения напряженности магнитного поля является - А/м.

1 А/см = 100 А/м .

Напряженность магнитного поля также является векторной величиной. Вектор H в однородной среде имеет одинаковое направление с вектором магнитной индукции.

Эту векторную величину также раскладывают на нормальную Н_n и тангенциальную Н_t составляющие напряженности магнитного поля, которые можно измерить у поверхности любого твердого объекта или в газообразной и жидкой среде.

Магнитная проницаемость

Все вещества обладают магнитными свойствами. Следовательно, все они могут реагировать на наличие внешнего магнитного поля.

Однако влияние внешних магнитных полей существенно отличается для разных материалов.

Абсолютная магнитная проницаемость, µ_a – скалярная (ненаправленная) величина, характеризует магнитные свойства среды (вещества) или способность материала пропускать через себя магнитное поле.

Единица измерения - Гн/м.

Опытным путем установлено, что абсолютная магнитная проницаемость вакуума равна:

µ₀ = 4·π·10^-7 Гн/м.

На практике чаще используют относительную магнитную проницаемость µ, показывающую во сколько раз абсолютная проницаемость µ_a данной среды (материала) больше или меньше магнитной проницаемости вакуума:

µ = µ_a / µ₀ ,

а связь магнитной индукции и напряженности поля чаще приводят в виде:

В = µ·µ₀·H.

В таком виде формула более логична, особенно в точке проведения магнитного контроля, так как показывает значение магнитной индукции в точке материала с учетом напряженности поля в этой точке, создаваемой неким намагничивающим устройством и магнитной проницаемостью и среды и вакуума, присутствующего в этой точке.

1.3 Магнитные свойства материалов

Материалы, подвергаясь действию магнитного поля, ведут себя в нем различно. Некоторые из них в поле магнита выталкиваются, а другие затягиваются. Первые называются диамагнитными, а вторые – парамагнитными материалами.

Из второго класса материалов выделяется еще довольно обширный третий класс материалов, так называемые «ферромагнитные» материалы.

Поэтому по значению μ все материалы делят на три группы:

Диамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей меньше единицы (μ < 1), их собственное магнитное поле оказывается направленным против внешнего поля.

К диамагнетикам относятся инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe), некоторые металлы (медь, бериллий, цинк, серебро, золото, ртуть, висмут), неорганические соединения (H₂O, CO₂), кристаллы (NaCl, Al₂O₃, CuCl, PbO, AgNO₃, PbSO₄, BiCL₃), органические соединения (метан, бензол, нафталин, октан и др.).

В диамагнитных материалах (рисунок 8) внешнее магнитное поле незначительно ослабляется. Поля элементарных магнитных моментов разворачиваются слегка навстречу внешнему магнитному полю.

Таблица 1 – Относительная магнитная проницаемость некоторых диамагнетиков

Вещество	Висмут (Bi)	Серебро (Ag)	Медь (Cu)	Вода
µ	0,999825	0,999981	0,9999897	0,999991

Все вещества являются диамагнетиками в силу закона электромагнитной индукции, согласно которому под действием внешнего магнитного потока образуется противо-ЭДС которая искажает в атомах траектории движения электронов так, что образуемые ими магнитные моменты так же искажаются в направлении против силовых линий внешнего магнитного поля.

Парамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей больше единицы (μ > 1), их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю;

К парамагнетикам относятся такие вещества: Al, Li, Na, K, Ti, V, U, O₂, NO, MnO, CuCl₂, NiSO₄ и др.

Парамагнитные материалы в отличие от диамагнетиков незначительно усиливают внешнее магнитное поле. Поле элементарных токов слегка разворачивается по направлению, совпадающему с внешним. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков на тысячные доли выше 1.

Ферромагнитные, у которых μ велико, выражается сотнями, тысячами и изменяется в зависимости от интенсивности магнитного поля. Они сильно притягиваются магнитным полем. К ним относятся железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Co), гадолиний (Gd), их сплавы и некоторые соединения, например, оскиды железа. Кроме того магнитная проницаемость ферромагнитных материалов меняется при намагничивании сложным образом, что будет рассмотрено в следующем разделе, а максимальное значение некоторых распространенных ферромагнетиков приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Максимальная относительная магнитная проницаемость некоторых ферромагнетиков

Вещество	Железо (Fe)	Сталь обычного качества	Кобальт (Co)	Никель (Ni)	Ферриты
µ	5000 - 200 000	500 - 2000	250	600	40 - 17000

2. НАМАГНИЧИВАНИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

2.1 Кривая первоначального намагничивания

Ферромагнетизм – магнитно упорядоченное состояние макроскопических объемов вещества (ферромагнетика), в котором магнитные моменты атомов (ионов) параллельны и одинаково ориентированы. Однако эти объемы, внутри которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы одинаково, не бесконечны и не занимают всего объекта, иначе такие объекты были бы полностью намагничены всегда. В размагниченном состоянии ферромагнитный объект состоит из доменов (участков величиной в десятки микрометров), в которых магнитные моменты M направлены одинаково даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля, но у соседних доменов суммарные магнитные моменты могут быть направлены в разных направлениях, особенно в размагниченном состоянии. На рисунке 9 приведен пример размагниченного ферромагнетика с суммарным магнитным моментом, равным 0, когда три домена имеют направления намагничивания приводящие к такому состоянию.

В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения в наиболее удобном направлении, обеспечивающим минимальную свободную энергию материала и обладает определенным суммарным магнитным моментом входящих в него частиц.

Ферромагнетики обладают:

– высокими значениями магнитной проницаемости;

– доменной структурой, при этом при намагничивании домены, которые направлены в том же направлении что и внешнее намагничивающее поле, в основной фазе намагничивания, начинают расти за счет остальных доменов, разворачивая магнитные моменты соседних доменов в направлении намагничивания;

– обладают гистерезисом при перемагничивании, то есть не все магнитные моменты, при снятии внешнего намагничивающего поля, возвращаются в первоначальное направленное состояние;

Домены имеют размеры порядка 1-10 мкм. Каждое кристаллическое зерно разбивается на несколько доменов с различной ориентацией магнитных полей. Это обычно бывает при отсутствии внешнего поля.

В размагниченном материале магнитные поля доменов направлены хаотично и компенсируют друг друга так, что результирующее поле всех доменов в детали практически равно нулю. В этом случае говорят, что такой ферромагнетик размагничен.

Искажение магнитного поля, происходящее при внесении в него диамагнитных или парамагнитных тел незначительно. Напротив, магнитное поле искажается весьма существенно, если в него будут помещены ферромагнитные тела.

Железный образец, обладающий проницаемостью в сотни и тысячи раз большей магнитной проницаемости вакуума, вбирает в себя магнитное поле. Это явление характеризуется намагниченностью. Намагниченность М – векторная величина, характеризует состояние вещества при его намагничивании, А/м.

Намагничивание ферромагнитных материалов под действием внешнего поля объясняется тем, что поля отдельных областей (доменов) устанавливаются по направлению внешнего поля, их магнитные поля при этом суммируются. В результате образуется сильное поле намагниченной детали.

Намагниченность проверяемой детали зависит от напряженности поля Н, действующего на эту деталь.

Проще говорить об общем магнитном состоянии материала, когда учитываются все магнитные моменты атомов и молекул из которых состоит вещество и то пространство, которое они занимают, то есть сумма моментов деленная на объем, охватываемый этими моментами:

M = ∑m / V,

где такая величина называется намагниченностью материала, А/м; V – объем, м³.

Кривой первоначального намагничивания (КПН) называют графическое изображение функции В = f (Н), которую получают постепенным увеличением Н из состояния В = 0 и Н = 0 до В_max (рисунок 10).

Намагничивание – это процесс смещения доменных границ и заключающийся в том, что домены, энергетически более выгодно ориентированные в отношение намагничивающего (приложенного) поля, начинают расти за счет доменов, ориентированных менее выгодно. Рост этих доменов происходит путем смещения границ в сторону доменов, ориентированных противоположно или под большим углом к магнитному полю.

На КПН можно выделить пять участков, на каждом из которых преобладает определенный механизм намагничивания. Участок 1 (рис. 9) соответствует обратимым смещениям доменных границ. В области Рэлея (2) имеют место наряду с обратимыми также необратимые процессы смещения, и зависимость В(H) здесь квадратична.

Наиболее крутой участок КПН (3) соответствует максимальной восприимчивости и связан с необратимыми смещениями доменных границ. В области приближения к насыщению (4) основную роль играют процессы вращения M_s к направлению намагничивающего поля. Наконец, участок 5 характеризуется слабым ростом намагниченности.

Для магнитопорошкового контроля изделия обычно можно намагнитить до конца области 3 – начала области 4. Вид КПН зависит от скорости намагничивания, поэтому приводимые кривые обычно характерны для очень медленного намагничивания.

Магнитная индукция В характеризует суммарное магнитное поле, складываемое из внешнего поля и намагниченности того материала, в котором оно измеряется (рисунок 11):

B = µ₀·(M + H)

В ферромагнетике µзависит от напряженности магнитного поля Н, воздействующего на объект, и изменяется по кривой, представленной на рисунке 12. Это происходит потому, что фактически магнитная проницаемость отражает отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля, исходя из формулы 2. Таким образом, абсолютная магнитная проницаемость является отношением двух катетов с к b в выделенном треугольнике, а такое отношение, как известно, равно тангенсу угла α.

Как видно из графика на рис. 12, относительная магнитная проницаемость сначала возрастает, а затем уменьшается, и максимум приходится на точку 2, так как максимальный угол α приводит к максимальному значению тангенса угла наклона гипотенузы треугольника. Кроме того, в начальный момент намагничивания деталь имеет отличное от нуля значение магнитной проницаемости, так как кривая имеет уже какой-то наклон, пусть и относительно небольшой. Обычно начальная магнитная проницаемость в 2-5 раз меньше максимального значения этого параметра.

В дальнейшем повышение напряженности магнитного поля правее точки 2 приводит к постепенному снижению угла наклона такого изменяющегося треугольника и, соответственно, к постепенному снижению магнитной проницаемости.

2.2 Циклическое перемагничивание

При намагничивании детали переменным или периодически изменяющимся по направлению постоянным полем имеет место циклическое перемагничивание (рис. 13).

При перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях всегда наблюдаются тепловые потери энергии, то есть материал нагревается. Эти потери обусловлены потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления ферромагнетика. Чем выше сопротивление – тем меньше потери на вихревые токи.

Слово гистерезис произошло от греческого hysterēsis – запаздывание. Гистерезис объясняется необратимыми изменениями, проявляющимися в различном течении прямых и обратных процессов. Характерная особенность магнитного гистерезиса – «отставание» намагниченности тела от напряженности намагничивающего поля.

Гистерезис препятствует намагничиванию ферромагнитных материалов. Его можно сравнить с внутренним трением. Более того развороты магнитных моментов действительно приводят к нагреву материала и ширина петли гистерезиса свидетельствует о величине энергии переходящей в тепло. Чем шире петля гистерезиса – тем больше нагревается материал при перемагничивании.

В ферромагнитных материалах из-за явления гистерезиса при уменьшении напряженности Н магнитная индукция В убывает не по кривой первоначального намагничивания, а по кривой, лежащей несколько выше нее. Когда же внешнее магнитное поле исчезает совсем, то в ферромагнитном материале сохраняется некоторая остаточная индукция В_r, величина которой определяется магнитными свойствами материала и характером магнитных воздействий, предшествовавших рассматриваемому состоянию. Остаточная индукция В_r принимает максимальное значение в том случае, если ферромагнитный материал предварительно намагнитить до насыщения, а затем напряженность магнитного поля уменьшить до нуля.

В_S – индукция технического насыщения.

H_S – напряженность магнитного поля, при которой достигается состояние технического магнитного насыщения материала образца.

В_r – остаточная индукция, т. е. оставшаяся в детали после снятия поля Н_s (остаточная намагниченность).

Индукция B обращается в нуль лишь под действием поля H_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность H_с называется коэрцитивной силой.

H_с – коэрцитивная сила (от лат. coërcitio – удерживание) – это напряженность магнитного поля, которое нужно приложить встречно намагниченности детали (предварительно намагниченной до насыщения), чтобы её полностью размагнитить.

Величины H_S, В_r, H_с являются основными магнитными характеристиками ферромагнетика и приводятся в справочниках.

Петля гистерезиса, достигающая области насыщения, называется предельной (максимальной) петлёй гистерезиса. Петля гистерезиса симметрична относительно начала координат.

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов, т.е. тел, которые без затраты энергии на поддержание макроскопических токов обладают магнитным моментом и создают в окружающем их пространстве магнитное поле. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

В зависимости от величины работы, необходимой для перемагничивания единицы объема ферромагнетика за один цикл перемагничивания, все ферромагнитные материалы разделяют на две группы: магнитомягкие (с узкой петлёй гистерезиса) и магнитотвердые (с широкой петлёй гистерезиса).

Материалы с узкой предельной петлей гистерезиса называют магнитомягкими и их обязательно надо контролировать способом приложенного поля и у них значения В_r и H_с малые. Условно к магнитомягким относят низко- и среднеуглеродистые и низколегированные стали, у которых В_r ≤ 0,53 Тл, а H_с ≤ 9,5 А/см. Среди деталей подвижного состава это колесная сталь, осевая сталь и большинство деталей тележки и автосцепного устройства. Материалы, у которых значения остаточной индукции и коэрцитивной силы больше указанных числовых значений, относят к магнитотвердым и их можно контролировать способом остаточной намагниченности. К таким деталям относят кольца подшипников, ролики, шестерни и зубчатые колеса, некоторые разновидности валов тягового и самоходного подвижного состава. К магнитотвердым материалам относятся углеродистые и легированные конструкционные стали (хромистые, вольфрамовые, кобальтовые), а также специальные сплавы, используемые для постоянных магнитов.

Конструкционные стали относятся, как правило, к группе ферромагнитных материалов с нормальными петлями гистерезиса, у которых отношение остаточной индукции Вr к максимальной Вs на предельной петле гистерезиса почти постоянно и равно 0,5-0,7. Как правило, магнитотвердые материалы обладают более низкими значениями магнитной проницаемости по отношению к материалам из магнитотвердых материалов.

Следует учесть, что магнитные характеристики существенным образом зависят не только от марки стали (химического состава), но и от режима термообработки.

При проведении магнитного контроля на ремонтных предприятиях выполненный ранее режим термообработки деталей, как правило, неизвестен. В таких случаях можно воспользоваться:

– прибором для измерения коэрцитивной силы материала изделия – коэрцитиметром или;

– имеющейся связью между твердостью и магнитными характеристиками сталей.

К магнитомягким материалам наряду с низкоуглеродистыми сталями и железоникелевыми сплавами относятся чугуны. Чугун как магнитомягкий материал имеет ряд особенностей по сравнению со сталью, а именно: его магнитные свойства меньше зависят от механических напряжений; меньше влияние температуры и вибрации на его магнитные свойства. Кроме того, чугунным отливкам можно легче придать выгодную для магнитного контроля конфигурацию.

В зависимости от назначения берутся ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, магнитомягкие материалы используют для статоров и роторов электромашин и магнитопроводов электромагнитных устройств (трансформаторы, дроссели, реле и т.д.). Магнитотвердые материалы применяют для постоянных магнитов, у которых коэрцитивная сила может быть повышена до 10⁶ А/м.

Если технического насыщения не достигается, получаемая петля называется частным циклом или промежуточной. Частных циклов существует бесконечное множество, все они лежат внутри максимальной петли гистерезиса.

Если ферромагнитное тело подвергается действию полей одного знака, то такая петля так же называется частной петлёй гистерезиса (рис.14).

Важно отметить, что при достижении определенной температуры магнитная проницаемость ферромагнитных тел резко падает до значения, близкого к единице. Эта температура, характерная для каждого ферромагнитного вещества, носит название точки Кюри по имени французского физика Пьера Кюри (1859—1906).

В ферромагнетиках при температуре выше точки Кюри тепловое движение атомов кристалла разрушает параллельную ориентацию магнитных моментов, и ферромагнетизм исчезает: ферромагнетик становится парамагнетиком. Домены при этом исчезают. У железа точка Кюри равна 767 °С, у никеля - 360 °С, у кобальта - около 1130 °С. Таким образом, при нагреве металла постепенно уменьшается его ферромагнетизм, который можно полностью убрать, а ферромагнетик – размагнитить. Для того, чтобы в нем появилась остаточная индукция, его придётся вновь намагничивать.

Подводя итоги магнитным свойствам ферромагнетиков, можно сказать, что они обладают следующими характерными свойствами:

– любой ферромагнетик состоит из доменов – участков, внутри которых элементарные магнитные моменты имеют одинаковое направление;

– намагничивание полностью размагниченного ферромагнетика происходит по кривой первоначального намагничивания;

– перемагничивание изделия происходит по петле гистерезиса;

– зависимость магнитных свойств материала от температуры и величины точки Кюри;

– магнитное поле существенно искажается, если в него будут помещены ферромагнитные тела. Магнитные силовые линии пропорционально магнитной проницаемости проходят через ферромагнетик.

 

2.3 Размагничивающий фактор

Так как любые детали имеют конечную длину при их продольном намагничивании (рисунок 16) получается так, что в детали силовые линии направлены от одного полюса к другому, а с наружи, там где находятся частицы, силовые линии направлены в противоположную сторону. Чем короче деталь, тем большая величина и концентрация силовых линий, направленных в противоположную сторону около поверхности. Эти противоположные силовые линии ослабляют силу притяжения частиц к дефекту. Поэтому, чем короче деталь, тем слабее частицы порошка на ее поверхности, намагниченной продольно, будут притягиваться к дефекту. Такое действие называется – размагничивающим фактором и для коротких деталей требуется их удлинение для снижения его влияния.

Влияние размагничивающего фактора достаточно сложное и зависит от формы, размеров намагничиваемого объекта и его магнитных свойств. Его исследование можно проводить только математическими методами и экспериментально. Именно из-за размагничивающего фактора на каждом типе деталей приходится экспериментально определять степень ее намагниченности на поверхности контроля.

3. СОЗДАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ РАЗНЫМИ НАМАГНИЧИВАЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Возникает вопрос, каким же образом возможно создание магнитного поля и перемагничивание, описываемое петлей гистерезиса.

Магнитное поле можно в любом объекте создать только двумя способами:

– поднесением намагниченного объекта (постоянного магнита), силовые линии которого будут пронизывать объект, а в силу его высокой магнитной проницаемости, силовые линии даже будут стараться проходить через объект намагничивания (рисунок 15) и таким образом намагничивать;

– расположением рядом с намагничиваемым объектом проводника с током, а проходящий ток, создает магнитное поле вокруг себя, намагничивая объект.

Второй способ более распространен и имеет различные варианты применения, которые мы и рассмотрим в этой главе.

3.1. Магниты как намагничивающие устройства

Если магнитные поля доменов сохраняют или имеют преимущественную ориентацию после прекращения воздействия магнитного поля, то об этом материале говорят, как о постоянно намагниченном.

Если намагниченный стержень согнуть в петлю с плотно сжатыми или сваренными торцами, то магнитное поле будет полностью содержаться в замкнутой цепи внутри намагниченного материала.

Для использования магнитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопроводе создают воздушный зазор определенных размеров и конфигурации. Магнитное поле, создаваемая магнитами, используют для намагничивания объектов из ферромагнитных материалов.

Под магнитом понимается тело, обладающее способностью намагничивать (притягивать или отталкивать) предметы из железа и некоторых других металлов благодаря действию своего магнитного поля.

Магниты разделяются на два класса:

– постоянные магниты;

– электромагниты.

Изделие определенной разомкнутой формы, например, в виде подковы, полосы или стержня из предварительно намагниченного материала, способного сохранять значительную магнитную индукцию в течение длительного времени после устранения намагничивающего поля, называют постоянным магнитом (рис.16).

При делении магнита на части каждая из них представляет собой магнит с двумя полюсами. Отделить северный полюс от южного полюса не представляется возможным.

Считают, что магнитные силовые линии выходят из северного магнитного полюса и входят в южный полюс.

Известно, что одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Если стержневому магниту придать подковообразную форму, полярность сохранится, но при этом магнитное поле и силовые линии будут в значительной степени сконцентрированы в промежутке между концами стержня. Чаще для намагничивания используются постоянные магниты U – образной формы, которые называют подковообразными магнитами или ярмом.

Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Недостатком постоянных магнитов является то, что ими не всегда можно сильно намагнитить объект, а также регулировать намагниченность объектов.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старение может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции B_r на 1…3 %; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Более надежным, стабильным и управляемым устройством является электромагнит (рисунок 17), который состоит из катушки, по которой течет ток, и магнитопровода (ферромагнитного сердечника) с высокой магнитной проницаемостью. По катушке течет ток, и в охватывающих его контурах возникает напряженность магнитного поля, которая тоже зависит и от протяженности контура, и от силы тока в катушке, и от количества витков, так как каждый виток – как бы новый ток внутри контура. Поэтому в катушках можно создать очень мощное магнитное поле с большой напряженностью, рассчитываемой по формуле:

H = I ·N / √(l ² + d ²),

где N – число витков катушки; l – длина катушки; d – ее диаметр.

Учитывая, что магнитный поток внутри катушки практически однороден, можно считать, что во всем сердечнике примерно однородный поток, который и стремится замыкаться в направлении максимальной магнитной проницаемости, как показано на рисунке 17.

Электромагниты состоят из железного сердечника с обмоткой. Сердечники электромагнитов теряют свою намагниченность, когда внешнее поле удаляется. С этой точки зрения они могут быть названы «временными магнитами».

3.2. Магнитные поля вокруг магнитов

Магнитные силовые линии в различных точках пространства по отношению к магниту имеют различную плотность и направление. Если рассматривать магнит в виде цилиндра, то наибольшая интенсивность поля наблюдается на торцевых поверхностях, а наименьшая – в средней части цилиндрической поверхности.

Сила притяжения или отталкивания у магнита в разных местах различна; больше всего она на его концах — полюсах.

С увеличением расстояния от намагниченного образца интенсивность поля быстро уменьшается.

Ферромагнитные материалы можно намагнитить путем соприкосновения с постоянным магнитом или размещением их очень близко к магниту.

Магнитные поля, которые изображаются прямыми параллельными линиями одного направления, проведенными с одинаковой густотой и в каждой его точке векторы магнитной индукции имеют равные абсолютные значения, называются однородным.

Примером однородного поля является поле в средней части межполюсного пространства электромагнита с бесконечными плоскопараллельными полюсными наконечниками или внутри бесконечного соленоида (рис.18).

При использовании стержневого магнита один из полюсов устанавливают на намагничиваемое изделие. Силовые линии наведенного (индуцированного) магнитного поля будут проходить между точкой контакта (или наибольшего сближения) и полюсом индуцирующего магнита. Если стержневой магнит используется для намагничивания пластины или подобного ей объекта большой площади, то поле будет распространяться в радиальных направлениях от точки приложения магнита. Силовые линии подковообразного магнита являются прямыми между полюсами и радиально направленными непосредственно у полюсов.

3.3. Магнитные поля вокруг проводников с током

Намагничивание ферромагнитных материалов с помощью электрического тока можно осуществить путём:

а) Прямого намагничивания – пропусканием тока по изделию (рисунок 19) или его участку в результате использования ферромагнитного материала в качестве электрического проводника.

б) Непрямого или наведенного намагничивания – путем помещения детали во внешнее электромагнитное поле.

Проводник может представлять собой стержень (прямой провод) или быть выполненным в виде одного или большего числа витков - катушкой.

Магнитные поля, возникающие вокруг деталей и проводников с токами, являются чаще всего неоднородными.

Проводник с количеством витков более одного называют соленоидом. Магнитные поля вокруг каждого витка катушки суммируются и образуют единое поле. В центре катушки магнитное поле направлено вдоль ее оси (рисунок 20), достаточно сильное и однородное, поэтому часто изготавливают соленоиды, внутри которых помещают детали для намагничивания и последующего контроля.

Направление поля вокруг проводника с током может быть определено по правилу буравчика (штопора).

Для того, чтобы определить полный магнитный поток, проходящий через поверхность всех витков, нужно сложить потоки, проходящие через поверхности отдельных витков, или, иначе говоря, сцепляющиеся с отдельными витками.

Суммарный магнитный поток, пронизывающий все витки контура, называется потокосцеплением Ψ (пси):

ψ = ∑_{i = 1}ⁿ Ф_n

Для замкнутого контура в виде тороида с намотанными витками кабеля:

ψ = Ф·N

где Ф – магнитный поток через один виток соленоида; N – число витков.

Потокосцепление Ψ, как и магнитный поток Ф, измеряется в веберах (Вб).

Величина магнитного потока в обмотках соленоида зависит от числа его витков N, силы тока I и его размеров.

Произведение N·I называется намагничивающей силой соленоида.

Напряжённостью поля соленоида Н называется часть намагничивающей силы, приходящейся на единицу длины магнитного пути l и определяется по формуле 6, однако в практике магнитопорошкового контроля чаще используют короткие соленоиды с большим диаметром, чтобы удобно было осматривать детали в приложенном поле, поэтому, при использовании формулы 6 и пренебрегая малой длиной l, получаем приближенную формулу для напряженности магнитного поля, формируемой в центре такого соленоида:

H = (N·I) / d .

Внутри соленоида поле считается достаточно однородным, однако при приближении к его внутренним стенкам оно постепенно увеличивается и начинает сильно уменьшаться вне соленоида, поэтому, чтобы оценить напряженность поля на деталях, намагничиваемых в соленоиде, чаще всего используют экспериментальную оценку с помощью измерительных приборов (миллитесламетров, магнитометров и т.п.).

Существуют другие способы намагничивания с помощью проводников с током, например, пропусканием тока через проводник, продетый в полую деталь (рисунок 21). В этом случае эффективно намагничивается и внутренняя стенка и наружная полой детали, однако магнитное поле при этом замкнуто в детали и выявляет только продольные дефекты (почему это происходит подробно изложено в разделе 5). Существуют и другие способы намагничивания, получившие меньшее распространение.

4. ВИДЫ ТОКОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

При проведении магнитопорошкового контроля намагничивание деталей осуществляют с помощью:

– переменного синусоидального тока;

– однополупериодного выпрямленного тока;

– двухполупериодного выпрямленного тока;

– выпрямленного однополупериодного и двухполупериодного трехфазного тока;

– постоянного тока;

– импульсного тока.

В таблице 3 приведены основные параметры применяемых для намагничивания токов.

Для получения переменного магнитного поля, как правило, используют переменный синусоидальный ток промышленной частоты (50 Гц) или повышенной частоты (100 ÷ 400 Гц).

Для получения постоянного магнитного поля, как правило, используют постоянный или выпрямленный ток.

Наиболее распространены переменный и постоянный токи при проведении магнитопорошкового контроля, но часто так же используют импульсный ток.

Импульсный ток – одиночные импульсы малой длительности постоянного или переменного тока.

При контроле способом приложенного поля рекомендуется использование переменного, постоянного и выпрямленных токов. Накопление порошка над дефектом определяется действующим значением тока.

При контроле способом остаточной намагниченности рекомендуется использование импульсного тока, но можно использовать постоянный и выпрямленные токи. При этом измеряют амплитудное значение импульсного тока, т. е. остаточная намагниченность определяется амплитудой намагничивающего тока.

Таблица 3 – Виды токов, применяемых для намагничивания и их основные характеристики

Форма волны	Пиковое значение	Среднее значение	Действующее значение
Переменный ток	I	0	0,707I (= I /√2)
Переменный однополупериодный выпрямленный ток	I	0,318I (= I / π)	0,5I
Переменный двухполупериодный выпрямленный ток	I	0,637I (= 2·I / π)	0,707I (= I /√2)
Трехфазный однополупериодный выпрямленный ток	I	0,826I	0,840I
Трехфазный двухполупериодный выпрямленный ток	I	0,955I (= 3·I / π)
Импульсный ток	I	–	–

Переменный ток

Ввиду больших преимуществ переменного тока перед постоянным током он быстро вошел в употребление и теперь применяется почти повсеместно. Пользование переменного тока дает ряд преимуществ:

– доступен и удобен, так как используется в бытовых и промышленных сетях;

– может применяться при любом способе намагничивания;

– силу переменного тока можно менять в широких пределах;

– не требует специального ухода за таким оборудованием, как аккумуляторы.

Переменный ток является широко распространенным источником питания, с помощью которого получают другие виды электрического тока.

Большие намагничивающие токи можно получить при помощи понижающих трансформаторов. Так как трансформатор является громоздким единственным и сложным компонентом, необходимым для непосредственного использования обычного сетевого переменного тока, то оборудование для намагничивания можно сделать легче и дешевле.

Намагничивание детали переменным током, приводит к образованию на поверхности детали вихревых токов. Из-за малой величины электрического сопротивления металлических магнитопроводов вихревые токи могут достигать значительных величин.

В свою очередь вихревые токи в контролируемой детали образуют собственное магнитное поле, которое направлено навстречу потоку, их создавшему.

Взаимодействие встречных магнитных потоков приводит к поверхностному эффекту «скин-эффект», т. е. резкому уменьшению проникновения переменного электромагнитного поля в глубь материала.

δ = √(2 / ω·µ_a·σ) = √(1 /π·f·µ_a·σ)

где f – рабочая частота, Гц; σ – удельная электропроводность материала, См/м.

Глубина проникновения переменного поля в приложенном поле с частотой 50 Гц составляет, примерно, 2÷3 мм в зависимости от марки стали и формы детали. Для поля с частотой 400 Гц ≈ 0,8 мм.

Увеличение частоты поля приводит к уменьшению размагничивающего фактора и улучшению выявления дефектов на деталях сложной формы или с малым удлинением.

Переменный ток более эффективен по сравнению с постоянным током для контроля деталей с малым удлинением, как при контроле в приложенном поле, так и способом остаточной намагниченности.

Под действием вихревых токов контролируемая деталь нагревается. Можно считать, что нагрев стали до 100 °С не вреден для нее. Но если при этом все же возникает какая-либо опасность или трудность, и ток такой силы действительно необходим, то надо применять импульсный ток, сокращая время включения тока.

Достоинства переменного тока:

– легко доступен;

– не оставляет остаточной намагниченности (остаточная намагниченность низкая);

– оборудование можно сделать достаточно легким;

– выявляются в основном поверхностные дефекты, такие к

Недостатки переменного тока:

– в приложенном поле происходит нагрев детали за счет вихревых токов; возможно наличие прижогов (применение электроконтактов), которые опасны как зародыши дефектов;

– не проникает глубоко в металл для обнаружения подповерхностных дефектов.

Однако переменный ток вполне применим для продольного намагничивания деталей в соленоидах или электромагнитах.

Сердечники электромагнитов в таких случаях должны быть шихтованными.

Переменный ток высокого напряжения легко превратить в ток низкого напряжения соответствующими понижающими трансформаторами. Они сравнительно просты и эффективны и являются лучшим средством получения сильных токов для циркулярного намагничивания.

Постоянный и выпрямленные токи

Постоянный ток идет непрерывно в одном направлении при постоянном напряжении, что создает устойчивые поля в проводниках и катушках.

Постоянный ток может быть получен с помощью:

– выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный;

– электрических генераторов постоянного тока;

– гальванических элементов (батарей).

Достоинства постоянного тока:

– постоянный ток создает магнитное поле, глубоко проникающее в металл;

– постоянный ток и выпрямленные токи применяют для выявления как поверхностных, так и подповерхностных дефектов. Считают, что постоянный ток наиболее удобен для выявления подповерхностных дефектов (на расстоянии 1 ÷ 3 мм).

– оборудование на аккумуляторных батареях может использовать слаботочные зарядные устройства для их зарядки, а на выходе выдавать большие токи.

Недостатки постоянного тока:

– детали с толщиной стенки более 20 ÷ 25 мм не следует намагничивать постоянным током, так как такие детали после контроля практически невозможно размагнитить;

– аккумуляторные батареи требуют постоянного обслуживания, чтобы они не разряжались; их периодическая замена связана с большими расходами.

Однополупериодный выпрямленный ток

Однополупериодный выпрямитель отсекает все отрицательные полупериодны и оставляет только положительные:

В результате получается пульсирующий ток, который обладает теми же достоинствами, что и постоянный, и вместе с тем имеет дополнительное достоинство: пульсирующий характер тока обеспечивает подвижность магнитных частиц в сухом порошке.

Использование однополупериодного выпрямленного тока и сухого магнитного порошка считается наилучшей комбинацией для выявления подповерхностных дефектов. По этой причине однополупериодный выпрямленный ток используется при контроле сварных швов и литья.

С помощью портативных устройств можно получить выход до 3000 А.

Двухполупериодный выпрямленный ток.

Двухполупериодные выпрямители обеспечивают преобразование переменного тока в постоянный ток. Вместо отсечения отрицательного импульса переменного тока, как это имеет место в однополупериодных выпрямителях, мостовая схема преобразует его в положительный импульс.

Трехфазный однополупериодный выпрямленный и трехфазный двухполупериодный выпрямленный ток

В промышленности широко используется трехфазный переменный ток. При этом импульсы следуют друг за другом с интервалом 1200. Если в каждой фазе поставить двухполупериодный выпрямитель, то на выходе получится слабо пульсирующий постоянный ток.

Импульсный ток

Импульсный ток – одиночные импульсы малой длительности постоянного или переменного тока. При этом ток включается только на очень малый промежуток времени порядка тысячных долей секунды.

Преимущество мгновенного намагничивания состоит в том, что при нем можно применять сильный ток от небольших установок.

Импульсный ток глубоко не проникает в материал детали. Выявляются в основном поверхностные дефекты, такие как усталостные трещины, которые всегда развиваются с поверхности.

В приложенном переменном или импульсном поле могут быть обнаружены как поверхностные, так и неглубоко залегающие подповерхностные дефекты.

Применение импульсного намагничивания обеспечивает отсутствие (сводит к минимуму) прижоги на поверхности детали, опасные как зародыши дефектов.

Достоинства импульсного тока:

– глубоко не проникает в материал детали, выявляются в основном поверхностные дефекты;

– применяют для контроля деталей с малым удлинением;

– не происходит сильный нагрев детали;

– не оставляет прижогов на поверхности металла;

– можно применять сильный ток от небольших установок.

Недостатки импульсного тока:

– не проникает глубоко в металл.

Импульсный ток в виде одиночных импульсов однополупериодного тока одного направления эффективен для контроля способом остаточной намагниченности СОН с применением кабелей, электроконтактов и других устройств, имеющих небольшие индуктивные сопротивления.

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

5.1. Поле рассеяния дефекта

Если бездефектный образец ферромагнетика с однородными магнитными свойствами и магнитной проницаемостью μ поместить в продольное равномерно распределенное магнитное поле Н, он намагнитится и в соответствии со своей кривой намагничивания приобретет магнитную индукцию В, линии которой распределяются равномерно внутри образца, образуют магнитный поток Ф и выходят из поверхности образца только на полюсах (рисунок 22). То, что силовые линии в большинстве своем проходят по ферромагнетику объясняется тем, что внешняя среда (воздух) имеет магнитную проницаемость, значительно меньшую магнитной проницаемости μ ферромагнетика. А силовые линии стремятся проходить по материалу с наилучшей проводимостью, то есть не по воздуху, а по намагниченной детали.

Если в продольное равномерно распределенное магнитное поле поместить образец ферромагнетика с поверхностной трещиной, ориентированной перпендикулярно направлению поля, то произойдет перераспределение магнитного потока как в пределах профиля трещины, так и в окружающей ее зоне. В части сечения образца, прерванного трещиной, из-за более высокого магнитного сопротивления в ее воздушной полости плотность линий существенно снизится. Это приведет к тому, что часть линий индукции, расположенных ниже основания трещины, уплотнится. Значительно меньшая часть линий пойдет через воздушный зазор – полость трещины. Оставшаяся часть магнитных линий неизбежно преодолеет трещину снаружи по воздуху, как показано на рисунке 23. А так как участки на детали, из которых выходят силовые линии и входят являются магнитными полюсами, то к ним неизбежно притягиваются частицы магнитного порошка.

Поле рассеяния дефекта максимально, если трещина расположена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если угол α между силовыми линиями и трещиной меньше 30° (трещина Т₂ на рисунке 24), то поле дефекта может быть недостаточным для выявления дефекта, так как оно пропорционально sin(α), который для 30° равен 0,5, то есть первоначальное искажение поля уменьшается в 2 раза. При α < 10° (трещина 3 на рисунке 24) - sin(α) < 0,17, поле ослабевает почти в 6 раз и дефекты не выявляются, так как силы притяжения порошка будут скорее всего недостаточны для того, чтобы задержать частицы порошка на дефекте.

Что же происходит с магнитными частицами порошка, попадающего на намагниченную деталь?

Во первых: так как разноименные полюса магнитов притягиваются, а одноименные – отталкиваются, в однородном магнитном поле на оба полюса элементарного магнита действуют силы F₁ и F₂, равные по величине, но противоположные по направлению. Они создают вращающий момент, поворачивающий магнит вдоль силовых линий – частицы, попадающие на поверхность намагниченного ферромагнетика, на котором нет дефектов, попадают именно в такое поле и разворачиваются по направлению поля (рисунок 25).

Во вторых: в неоднородном поле сила притяжения F₁ больше силы отталкивания F₂, поэтому кроме вращающего момента на элементарный магнит действует сила, заставляющая перемещаться (рисунок 26).

Этим объясняется притягивание ферромагнитных материалов к полюсам магнита в область наибольшей плотности силовых линий, выходящих из объекта. А такими участками являются магнитные полюса:

– возникающие на краях дефекта,

– на торцах детали, откуда выходят силовые линии поля;

– на галтельных переходах, где часть силовых линий так же выходят в воздух;

– у полюсов постоянных магнитов или электромагнитов, установленных на поверхности детали.

Разница между этими силами над дефектом зависит от размеров дефекта (протяженности, ширины раскрытия, глубины), формы дефекта и глубины его залегания.

Чем больше размеры дефекта, в том числе каждого по отдельности, тем большим магнитом будет являться дефект, и значит большее число магнитных частиц он притянет. Чем глубже дефект находится под поверхностью, тем слабее он как магнит, притягивающий частицы магнитного порошка на поверхности. Чем больше размер подповерхностного дефекта, тем более расплывчатым будет пятно магнитного порошка, собираемого над ним.

Частицы магнитного порошка разворачиваются по направлению силовых линий магнитного поля и движутся вдоль них к полюсам, то есть деталь должна быть намагничена так, чтобы максимальное количество силовых линий было направлено вдоль контролируемой поверхности. Силовые линии напряженности магнитного поля в действительности, будучи замкнутыми в пространстве в каждой точке могут рассматриваться как линии, которые можно разбить на две составляющие: нормальную – H_n, направленную перпендикулярно поверхности детали и тангенциальную – Н_t, направленную вдоль поверхности детали (рисунок 27). Для магнитопорошкового контроля важное значение имеет тангенциальная составляющая, которая и формирует силу притяжения к дефекту вдоль поверхности. А нормальная составляющая наоборот, является вредной, так как частицы направляясь по ней будут разворачиваться и торчком стоять на детали, при этом никуда не перемещаясь. Поэтому важное значение в магнитопорошковом контроле имеет правильное обеспечение нужного направления поля, так чтобы вдоль контролируемой поверхности оно было достаточно большим для притягивания частиц порошка к дефектам, а перпендикулярно поверхности – достаточно малым и не препятствовало проведению контроля.

5.2. Осаждение магнитного порошка над дефектами

Наибольшая плотность магнитных силовых линий поля рассеяния наблюдается непосредственно над дефектом (трещиной) и уменьшается с удалением от него.

Оседание порошка над подповерхностными дефектами менее чёткое и более размытое по сравнению с поверхностными дефектами.

Скопление порошка над дефектом происходит в основном отдельными частицами и короткими цепочками.

Процесс образования цепочек из частиц магнитного порошка называют магнитной коагуляцией.

Выявление дефектов непосредственно связано с интенсивностью магнитной коагуляции. На интенсивность магнитной коагуляции оказывают влияние следующие факторы:

– концентрация магнитного порошка;

– магнитные характеристики порошка;

– вязкость дисперсионной среды;

– напряженность намагничивающего поля;

– длительность действия намагничивающего поля.

На частицу в поле рассеяния будут действовать (рис. 28):

F_з – затягивающая сила магнитного поля (пондеромоторная), направленная в область наибольшей плотности магнитных силовых линий, т.е. к месту расположения трещины;

F_тр – сила трения;

F_т – сила тяжести;

F_А – сила выталкивающего действия жидкости (Архимедова сила);

F_э и F_м силы электростатического и магнитного взаимодействия, возникающие между частицами.

F_р - результирующая сила, под действием которой частицы притягиваются к трещине и накапливаются над ней, образуя скопление порошка.

Картину из осевшего порошка называют индикаторным рисунком или индикацией. Пример индикаторного рисунка трещины представлен на рисунке 29.