книги из ГПНТБ / Дорофеев, А. Л. Индукционная структуроскопия

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблема долговечности и увеличения ресурса двига­ телей, турбин, транспортных средств заставляет уделять большое внимание процессам, происходящим в поверх­ ностных слоях проводящих ток материалов. Случающие­ ся аварии нередко возникают из-за неоднородности структуры, отклонений химического состава, увеличе­ ния концентрации напряжений, иа'водораживания и кор­ розионного растрескивания. Все эти факторы, так или иначе, влияют на электромагнитные характеристики по­ верхностного слоя материала.

Имеется несомненная, в ряде случаев однозначная, связь между электрическими характеристиками и струк­ турным состоянием металлов и сплавов после термиче­ ской обработки или поверхностного упрочнения. Эти операции создают значительные сжимающие напряжения в поверхностных слоях и способствуют увеличению сопротивления материалов разрушению. Физическая сущ­ ность происходящих при этом процессов связана с кри­ сталлическим строением металлов. Для суждения о глу­ бинных явлениях происходящих в недрах кристалличе­ ской решетки проводящих ток 'Материалов, используют механические и физические методы испытаний, основан­ ные на рентгеновском излучении, ультразвуковых коле­ баниях, магнитных явлениях, термо-э. д. с, электриче­ ском сопротивлении и, наконец, вихревых токах.

Различные методы испытаний можно разбить на груп­ пы, требующие и не требующие изготовления специаль­ ных образцов. Этот фактор имеет большое значение для применения неразрушающих физических методов контро­ ля структуры 'Материалов, так как эти методы во многих случаях позволяют производить массовую, а не выбороч­ ную проверку продукции и отказаться от применения многих трудоемких испытаний, связанных с изготовле­ нием и разрушением образцов или повреждением поверх­ ности детали. Удельная проводимость образцов, изме­ ренная на постоянном токе, является интегральной ха­ рактеристикой и не может служить критерием для оцен-

3

ки состояния поверхностного слоя. То же относится и к измерениям магнитных свойств образца в постоян­ ных магнитных полях.

Индукционные приборы, например измерители элек­ трической проводимости, обеспечивают локальное изме­ рение удельной электрической проводимости на участке диаметром 12—15 мм. Установка датчика индукционного структуроскопа на контролируемую поверхность -мате­ риала требует всего 2—3 сек.

Метод впхіревых токов открыл новые возможности перед научными работниками и работниками заводских лабораторий, вооружив их удобным и быстрым способом оценки изменений, происходящих в структуре поверхно­ стных слоев проводящих материалов. С его помощью •можно получить информацию о состоянии структуры ма­ териала на различных участках детали, быстро прове­ рить качество (или соответствие эталонному образцу) сотен и тысяч деталей и в том числе деталей, установ­ ленных в труднодоступных местах внутри машин, а так­ же деталей, покрытых лаком, краской или эмалью.

В книге обобщаются материалы по сортировке спла­ вов, оценке химической чистоты металлов, термической и механической обработки, качества поверхностно-упроч­ ненных слоев, оценке прочности и твердости.

Важной частью любого метода является аппаратура для испытаний. Автор с сотрудниками участвовал в раз­ работке, выпуске и внедрении ряда индукционных структуіроскопическнх устройств. В книге помещены краткие материалы по их устройству и результатам промышлен­ ного применения.

В заключение выражаю признательность коллегам по исследованиям и совместной работе: 3. В. Черенковой, обработавшей значительную часть материалов по изме­ нению электрической проводимости стареющих алюми­ ниевых сплавов, С. Н. Садовникову, Л. С. Воскобойниковой, А. Г. Косарину, Ю. Г. Казаманову, Г. А. Любашеву, Б. А. Кадышкину, А. Л. Рубину, Б. Д. Поповичу, В. С. Гайдамакину и другим, а также рецензенту канд. техн. наук А. М. Мушкину и редактору канд. техн. наук А. Д. Покровскому за ценные замечания и советы.

Автор

В В Е Д Е Н ИЕ

Метод вихревых токов, или, как мы будем называть его в этой книге по аналогии с индукционным нагревом с помощью токов высокой частоты, индукционный метод1 , используют в трех главных направлениях: для выявле­ ния нееплошностей в поверхностных слоях материалов, при измерениях толщины листов, стенок труб и 'покры­ тий на металлах и, наконец, для структуроскопии. С пер­ выми двумя направлениями читатель может ознакомить­ ся по работам [Л. 23—27].

Индукционная структур'оскопия включает сортировку материалов по маркам, оценку степени их химической чистоты, выявление и оценку неоднородных по структуре зон, оценку глубины и качества химико-термических и других поверхностно-упрочненных слоев, контроль пра­ вильности выполнения термической и механической обра­ ботки, оценку внутренних напряжений, а также решение других проблем, связанных со структурой поверхностных слоев. Дело не ограничивается пассивной регистрацией изменений структуры. При выработке ресурса, а также после различных аварийных ситуаций возникает необхо­ димость оценить степень повреждения деталей конструк­ ции, предсказать оставшийся до разрушения запас проч­ ности. Прогнозирование—важная государственная зада­ ча. В полном объеме ее удается решить лишь привлекая различные методы испытаний.

В отличие от других магнитных и электромагнитных методов структуроскопии индукционный метод — это ме­ тод контроля поверхностных слоев, обычно не превыша­ ющих 1—'2 мм. Именно в этих слоях и развиваются про­ цессы усталости материалов. Метод пригоден как для

1 Это название достаточно точно отражает сущность метода. Сказать «вихретоковый» или «токовихревой» нагрев пока еще никто не решился.

5

Г л а в а п е р в а я

Ф И З И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы И Н Д У К Ц И О Н Н О Г О К О Н Т Р О Л Я

1-1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕЩЕСТВА

В электротехнике при использовании постоянного то­ ка имеют дело с омическим сопротивлением проводника или его проводимостью, а удельную электрическую про­ водимость получают расчетным путем или из таблиц. По закону Ома сопротивление — есть коэффициент пропор­ циональности между электрическим током и падением напряжения на проводнике.

При индукционном контроле обычно интересуются структурой небольших участков материала, имеющих очень малое сопротивление, которое можно измерить лишь с шомощыо двойных мостов и компенсационных потенциометров. Основная трудность таких измерений заключается в изготовлении образцов и осуществлении надежных контактов для токовых и потенциальных элек­ тродов.

В настоящем издании в качестве единицы удельной электрической проводимости (далее слово «удельная» опустим) используется м/ (ом • мм2). В этих единицах электрическая проводимость всех проводящих материа­ лов при комнатной температуре лежит в диапазоне от 0,02 до 62 м/ (ом • мм2). В Международной системе еди­ ниц СИ единицей электрической проводимости служит

лов объясняет электронная теория, начало которой было заложено в конце прошлого столетия. Опыты Л. И. Ман­ дельштама и Н. Д. Папалекси (1913 г.), Толмена и Стюарта (1916 г.) по внезапному торможению катушки или движущегося металлического диска показали, что не только силы электрического поля, возникающие в ме­ талле при наличии разности потенциалов, но и механиче­ ские силы инерции способствуют перемещению электро­ нов,

7

По Я. И. Френкелю длина свободного пробега электронов обратпа коэффициенту рассеяния электромагнитном волны /=1/[хр .

Этот коэффициент, по меньшей мерс, состоит пз двух состав­

ли атома: модель Томсона, модель Нильеа Бора п модель Гепзепберга — Шредннгера. По модели Томсона электрон с зарядом —с движется внутри равномерно заполненного положительным зарядом

10~8 см. Однако опыты Э. Резерфорда показали, что положительный

нический момент. Отношение магнитного момента к механическому называется гиромагнитным отношением, оно равно —cjQ.ni. Кроме орбитального, электрон обладает собственным механическим и маг­

Намагничивание магнетика характеризуется магнит­ ным моментом единицы объема. Эту величину называют вектором намагниченности. Он связан с напряженностью магнитного поля H соотношением

В зависимости от знака и величины магнитной вос­ приимчивости магнетики подразделяются на три группы. В том случае, если вектор намагниченности направлен противоположно'полю H и магнитная восприимчивость — величина отрицательная, то вещество диамагнитно. Фи­ зическая природа диамагнетизма вытекает из представ­ ления об электроне, движущемся вокруг ядра. Угловая скорость движения электрона и магнитный момент изме­ няются под действием магнитного поля, ориентированно­ го перпендикулярно плоскости вращения электрона. В этом случае электрон представляет собой как бы не­ большую индуктивность, в которой в соответствии с пра­ вилом Ленца возникает э. д. с, противодействующая приложенному полю. Магнитная восприимчивость сереб­

9