3 kolos, AGH, Semestr II, Podstawy Nauk o materiałach[Kot,Dymek,Rakowski], PNOM, egzamin i inne


Defektoskopowe metody określające uszkodzenia przedmiotów

Defektoskopia - nie niszcząca metoda badań uszkodzeń i wykrywania defektów w przedmiotach, głównie metalowych (odlewach, odkuwkach, spawach itp.). Ze względu na wykorzystywane w badaniu zjawiska fizyczne rozróżnia się defektoskopię gamma, rentgenowską, luminescencyjną, magnetyczną i elektromagnetyczną oraz ultradźwiękową.

  1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

CEL I ZAKRES ZASTOSOWAŃ DEFEKTOSKOPII RADIOLOGICZNEJ.

Metoda radiologiczna należy do metod objętościowych. Umożliwia ona wykrywanie wewnętrznych oraz powierzchniowych i podpowierzchniowych nieciągłości obiektów. Metoda ta umożliwia wykrywanie objętościowych, ale również i płaskich nieciągłości, które mogą być wykrywane, jeśli kierunek rozchodzenia się promieniowania jest zgodny z kierunkiem ich ułożenia i jeśli mają one dostateczną szerokość i głębokość. Obrazy nieciągłości są obrazami cieniowymi. Nieciągłości objętościowe dają szerokie obrazy np. na radiogramach. Nieciągłości płaskie, np. pęknięcia złączy spawanych, nie stanowią objętościowych ubytków. Nie otrzymuje się dla nich szerokich, łatwych do identyfikacji obrazów.

  1. ZASADA BADAŃ METODĄ DEFEKTOSKOPII RADIOLOGICZNEJ.

Prowadzenie badań obiektów metodą radiologiczną polega na:

Na radiogramach są przedstawiane dwuwymiarowe cieniowe obrazy trójwymiarowych nieciągłości. Obrazy nieciągłości przedstawiają jej kształt oraz wymiary w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Różnica zaczernienia radiogramów zawiera informację o wysokości nieciągłości.

  1. CHARAKTERYSTYKA DEFEKTOSKOPII RADIOLOGICZNEJ.

Defektoskopia radiologiczna jest stosowana do:

Podczas wykrywania nieciągłości metodą radiologiczną istotny jest wybór kierunku napromieniowania obiektów. Groźne nieciągłości płaskie, w tym pęknięcia i rozwarstwienia, położone prostopadle względem kierunku napromieniowania mogą być nie wykryte. Wykrywanie różnie zorientowany defektów wymaga wielokrotnego napromieniowywania pod różnymi kątami. Zmiana położenia obiektu jest dokonywana np. w zautomatyzowanych systemach radioskopii czasu rzeczywistego.

W badaniach metodą transmisyjną wymagany jest dostęp do obu stron obiektu, natomiast w metodach odbiciowych, np. met. rozproszeniowych, wystarcza jednostronny dostęp.

W radiografii (defektoskopii radiograficznej) obrazy nieciągłości są najczęściej analizowane z radiogramów, z poddanych obróbce chemicznej błon radiograficznych. Niestety do badania obiektów tą metodą potrzebny jest dość długi czas. Wyrywanie nieciągłości tą metodą oparte jest na wykorzystaniu:

W defektoskopii wykorzystywane są następujące źródła promieniowania:

Źródła promieniowania, a konkretnie energię ich promieniowania, do badań defektoskopowych dobiera się stosownie do zamierzonego celu kontroli, w zależności od grubości, gęstości materiału oraz wymaganej czułości badania.

Przenikliwość promieniowania jonizującego charakteryzuje jego zdolność do przenikania przez materię. Zdolność przenikania charakteryzuje grubość tzw. warstwy połówkowej. Jest to grubość określonego materiału, w której natężenie prom. X lub γ jest redukowane do połowy swojej wartości początkowej. Podczas przenikania promieniowania przez materię dochodzi do zmiany rozkładu energii promieniowania. Mniej przenikliwe jest bardziej pochłaniane, a dalej przechodzi promieniowanie bardziej przenikliwe (o większej energii - twardsze).

Nieciągłości materiałowe, wypełnione powietrzem lub materiałem o mniejszej gęstości niż materiał obiektu, są miejscami, w których następuje mniejsze osłabienie promieniowania niż w miejscach pozbawionych nieciągłości. Ponieważ gęstość nieciągłości jest przeważnie mniejsza niż gęstość badanego obiektu na radiogramie objawia się to w postaci obszarów o większym zaczernieniu. Umożliwia to rozróżnienie nieprawidłowości w budowie obiektu.

Zalety i ograniczenia metody radiologicznej:

Zalety:

Wady:

Słaba wykrywalność nieciągłości płaskich położonych prostopadle do kierunku rozchodzenia się promieniowania.

ULTRADZWIEKOWE

Badania nieniszczące materiałów były stosowane od wielu lat, a ich szybki rozwój związany był z postępem i zastosowaniami nowych technologii. Związane są one z procesami projektowania, produkcji oraz eksploatacji w celu szybkiego wykrycia wad i kontroli parametrów wyrobów oraz zmniejszenia awaryjności urządzeń. Badania tego typu przeprowadza się na gotowych wyrobach szczególnie tam, gdzie w grę wchodzi bezpieczeństwo ludzi (połączenia spawane, odlewy, części maszyn, pomiary grubości i wyszukiwanie wad w trakcie eksploatacji, podczas której następują zmiany struktury i ubytki korozyjne ). Najczęściej stosowane metody to: badania szczelności, badania penetracyjne, badania radiograficzne, badania ultradźwiękowe, badania magnetyczno-proszkowe i badania wiroprądowe.

Ultradźwięki są badane i poznawane od ponad 100 lat. Stały rozwój technik ultradźwiękowych powiązany jest z postępem technologicznym - od materiałów i sposobów generowania fal po programy komputerowe ułatwiające nie tylko same pomiary, ale i również analizę zmian parametrów wyrobów podczas eksploatacji. Obecnie ultradźwięki stosuje się na szeroką skalę w spektroskopii, defektoskopii, akustooptyczne i mikroskopii ultradźwiękowej, diagnostyce medycznej, chirurgii, stomatologii, hydrolokacji, oraz w wielu procesach chemicznych i technologicznych (górnictwo, metalurgia, ceramika, elektronika).

PODSTAWY FIZYCZNE

Zakres częstotliwości fal sprężystych jest szeroki. Dzielimy go zasadniczo na cztery grupy:

0-16Hz infradźwięki

16-16 kHz zakres słyszalny

16 kHz - 1 GHz ultradźwięki

1 GHz - 1 THz hiperdźwięki

Ultradźwięki rozchodzące się w materiałach podlegają prawom fizyki

klasycznej. Na granicy ośrodków mogą występować charakterystyczne zjawiska ruchu falowego takie jak: odbicie, załamanie, transformacja, rozpraszanie, ugięcie.

Odbicie zachodzi, gdy ośrodki charakteryzują się różnymi opornościami falowymi, kąt odbicia jest równy kątowi padania dla tego samego rodzaju fali.

Załamanie występuje na granicy ośrodków, dla fali padającej pod pewnym kątem i spowodowane jest różnicą prędkości rozchodzenia się fali w tych ośrodkach.

Transformacja związana jest z przekształceniem części fali padającej na inny rodzaj fali, pod warunkiem, że może ona występować w drugim ośrodku ( np. L => T , T => L) i występuje w połączeniu ze zjawiskiem załamania i odbicia.

Ugięcie (dyfrakcja) to zjawisko odchylenia wiązki fal na przeszkodach, których długość jest dużo mniejsza od długości fali.

Pomiędzy długością fali a częstotliwością występuje zależność:

X = c / f , gdzie X - długość fali, c - prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku, f - częstotliwość fali. Prędkość rozchodzenia się fali jest cechą ośrodka i zależy od rodzaju fali. Rozróżniamy fale podłużne (L), poprzeczne (T), powierzchniowe przy czym nie wszystkie występują w danym materiale (w wodzie tylko Cl = 1430 m/s), a pomiędzy nimi występuje zależność Cl > Gp > Cr (dla stali Cl = 5940 m/s , Ct = 3520 m/s , CR = 3050 m/s).

NAZWY I OKREŚLENIA DOTYCZĄCE BADAŃ

Badanie stykowe (kontaktowe) ~ badanie w którym głowica i wyrób badany są rozdzielone cienką warstwą cieczy sprzęgającej.

Badanie zanurzeniowe - badanie, w którym przedmiot jest zanurzony w cieczy i fale są wprowadzane przez ciecz.

Echo dna - echo od powierzchni ograniczającej, na którą bezpośrednio padają fale.

Głębokość położenia wady - odległość wady od powierzchni wprowadzenia fal.

Metoda echa - metoda badania oparta na wykorzystaniu impulsów odbitych od nieciągłości wyrobu.

Metoda przepuszczania - metoda badania oparta na pomiarze natężenia fali przechodzącej przez badany wyrób.

Metoda rezonansowa - metoda badania oparta na wykorzystaniu zjawiska powstawania fali stojącej w danej grubości warstwy.

Metoda uwidaczniania - metoda badania oparta na przedstawianiu kształtu lub rozmiarów wady materiałowej.

Obwiednia echa - krzywa, wyznaczona przez wierzchołki impulsów odbitych od nieciągłości wyrobu przy zmianie odległości między głowicą i nieciągłością.

Poziom odniesienia - wartość o wybranym poziomie wzmocnienia odbiornika defektoskopu ultradźwiękowego, przy którym uzyskuje się echo od wzorcowego reflektora.

Reflektor duży - reflektor o rozmiarach liniowych większych od rozmiarów przekroju poprzecznego wiązki fal, padających na ten reflektor.

Skok głowicy skośnej - odległość mierzona w kierunku poziomym między punktem, w którym oś wiązki wchodzi do wyrobu i punktem, w którym trafia ponownie w tę samą powierzchnię materiału po jednokrotnym odbiciu.

Sprzężenie - połączenie między głowicą i badanym przedmiotem.

Straty przeniesienia - zmiana natężenia wiązki fal spowodowana różnicą stanu powierzchni badanego wyrobu w porównaniu z powierzchnią wzorca.

Ultradźwiękowa analiza - metoda badania stanu wyrobu na podstawie częstotliwościowego rozkładu impulsu ultradźwiękowego odbitego w wyrobie lub przechodzącego przez niego.

Wada płaska - wada dwuwymiarowa o płaskiej powierzchni odbijającej. Wada przestrzenna - wada trójwymiarowa.

Wada równoważna - płaska wada kołowa ustawiona prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali o współczynniku odbicia równym jedności; poziom echa od wady równoważnej jest taki sam jak od porównywanej wady.

Wykres OWR - graficznie przedstawiona zależność pomiędzy odległością od głowicy do wady (O), wzmocnieniem (W) niezbędnym do uzyskania echa wady o określonym poziomie i rozmiarem (R) wady równoważnej.

Zakres obserwacji - odcinek drogi fal w wyrobie obserwowany na ekranie lampy oscyloskopowej.

  1. Badanie metali falami ultradźwiękowymi - zalicza się do badań nieniszczących. Metoda ta umożliwia przeprowadzenie badań bez uszkodzenia części badanych oraz bez pogorszenia ich właściwości użytkowych, mechanicznych itp. Fale ultradźwiękowe są wywołane drganiami ośrodków stałych i ciekłych o częstotliwości wyższej od słyszalnej, tj. powyżej 16 000 drgań na sekundę, i mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach sprężystych. Prędkość rozchodzenia się fali zależy od ośrodka. Przykładowo prędkość fali w powietrzu wynosi 331,7 m/s, w stali 5000 m/s, w oleju 1100 m/s. Wiązki fal ultradźwiękowych wysyłane w głąb materiału, natrafiają na wadę ulega częściowemu odbiciu od niej. Odbita część wiązki niesie ze sobą obraz wady w postaci sygnału falowego. Należy ją przetworzyć na obraz widzialny. Najpierw sonda umieszczona na kierunku odbitej wiązki zamienia ją na impulsy elektryczne.

Te z kolei zostają wzmocnione i posłane do oscyloskopu. Na ekranie oscyloskopu będzie widoczny obraz wady i jej odległość od sondy. Część wiązki odbita „dna” badanego przedmiotu wraca po nieco dłuższym czasie niż część odbita od wady. Plamka świetlna na oscyloskopie rysuje zarówno impuls wiązki odbitej od wady, jak i impuls wiązki odbitej od dna przedmiotu . Cały ten cykl powtarza się kilkaset razy na sekundę. Bezwładność naszego oka daje wrażenie obrazu trwałego.

W metodzie tej wykorzystuje się fale ultradźwiękowe o częstotliwości powyżej 20kHz.

Fizyczna zasada metody oparta jest o następujące własności fali:

- prostoliniowe rozchodzenie się fal ultradźwiękowych w ośrodkach sprężystych,

- zdolność przenikania fal przez różne ośrodki,

- zdolność odbijania się fal przez od granic ośrodków o różnych gęstościach,

- zróżnicowanie prędkości rozchodzenia się fal w zależności od gęstości i modułu sprężystości ośrodka.

Badania przeprowadza się przy pomocy defektoskopu ultradźwiękowego działającego na zasadach:

- fal przepuszczonych- metoda cienia,

- fal odbitych- metoda echa.

Zaletą ultradźwiękowej metody echa jest możliwość badania dużych elementów do 4m. Nie nadaje się natomiast do badania elementów cienkich i nie można za jej pomocą wykrywać wad podpowierzchniowych, gdyż impuls pochodzący od wady zlewa się na oscyloskopie z impulsem wejściowym lub z echem dna.

Metoda echa posługuje się jedną sondą nadawczo- odbiorczą, lub dwoma sondami, ale umieszczonym po tej samej stronie materiału. Pozwala to na zastosowanie metody ultradźwiękowej w przypadku, gdy dostęp do badanego materiału jest tylko z jednej strony

Metoda cienia wymaga dostępu z obu stron przedmiotu umożliwia znalezienie wady tylko w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki fal. Można nią za to badać cienkie przedmioty. Nadaje się do kontroli ciągłej np. w produkcji cienkich blach.

Ultradźwięki stosuje się do wykrywania uszkodzeń materiałów z metalu, szkła, betonu, tworzyw sztucznych, itp. Czułość tej metody jest bardzo duża, pozwala wykrywać wady wielkości rzędu 10-9m.

W metodzie tej konieczne jest użycie sondy nadawczej i sondy odbiorczej

SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH

Większość przyrządów w defektoskopii ultradźwiękowej to aparaty impulsowe, które nadają krótkie impulsy nadawcze, po czym przełączają się na odbiór sygnałów odbitych od granicy ośrodków lub wad zamieniając je na obraz oscyloskopowy. Czynności te są powtarzane od kilku do kilkuset razy w ciągu sekundy. Całość pracy umożliwiają odpowiednio połączone elektroniczne układy zasilające, generacyjne, wzmacniające i synchronizujące. Coraz częściej stosowane są defektoskopy w postaci odpowiedniej karty komputerowej, która wraz z odpowiednim programem stanowi nowoczesny przyrząd pomiarowy wraz możliwością archiwizowania i przesyłania danych (e-mail). Szczegółowe informacje o konkretnych przyrządach (wewnętrzną budową i szczegóły działania) można znaleźć na stronach internetowych producentów

  1. Defektoskopii luminescencyjnej (fluorescencyjna) - pokrywa się badany przedmiot cieczą luminescencyjną, która wnika w szczeliny i pozostaje w nich po usunięciu nadmiaru cieczy z powierzchni. Po oświetleniu tak przygotowanego przedmiotu światłem ultrafioletowym obserwuje się wyraźne świecenie szczelin i rys wypełnionych śladami cieczy luminescencyjnej.

Lampa luminescencyjna, świetlówka, sztuczne źródło światła, bańka (rura) szklana pokryta od wewnątrz luminoforem, wypełniona parami rtęci (pod ciśnieniem ok. 10-2Tr) i argonem (pod ciśnieniem rzędu 1 Tr).

Luminofory, fosfory, mieszaniny związków nieorganicznych i organicznych, wykazujące luminescencję. Stanowią najczęściej mieszaniny chalkogenków krzemianówfosforanów berylowców, cynkukadmu, wraz z aktywatorami.

ETAPY BADAWCZE

- oczyszczoną próbkę materiału zanurza się w cieczy o składzie, np.: nafta 65% benzyna 10% olej transformatorowy .25%

- próbkę utrzymuje się na powietrzu przez około 5-10min

- próbkę przedmuchuje się sprężonym powietrzem lub wyciera ściereczką zmoczoną w benzynie.

- oczyszczony wyrób pokrywa się proszkiem fluoroscencyjnym posiadającym właściwości adsorpcyjne. Jest nim najczęściej tlenek magnezu, silikożel lub talk.

- po 5- ciu minutach usuwa się proszek z powierzchni. W miejscach wad powierzchniowych pozostanie proszek zaadsorbowany przez inny olej znajdujący się w porach, szczelinach i innych nieciągłościach powierzchni. W strumieniu promieni ultrafioletowych miejsca wadliwe świecą jasno na skutek obecności w nich proszku.

Za pomocą tej metody można wykryć wady powierzchniowe o minimalnej szerokości około 5m.

Wadą metody jest wykrywanie tylko defektów powierzchniowych, zaletą jest niewielki koszt i prosty sposób jej realizacji.

  1. Defektoskopia magnetyczna - przedmiot z ferromagnetyku pokrywa się proszkiem ferromagnetycznym, który gromadzi się wzdłuż szczelin powierzchni., wizualizując je.

Ferromagnetyki, substancje krystaliczne posiadające własność ferromagnetyzmu. Rozróżnia się ferromagnetyki miękkie - o małym polu koercji, ferromagnetyki twarde - o dużym.

W defektoskopii elektromagnetycznej bada się takie parametry materiału jak nasycenie namagnesowania, przenikalność magnetyczną, oporność właściwą itp.

Odstępstwa od wartości wzorcowych dla danego materiału wskazują na defekty struktury. Przez wady rozumie się wszelkie odchylenia od idealnego stanu, praktycznie nie osiągalnego. Znaczenie wad w wyrobie zależy od ich rodzaju i rozmiarów.

ETAPY BADAWCZE

- pokrycie próbki zawiesiną metalicznego proszku w cieczy (metoda mokra) lub nałożenie na powierzchnię samego proszku (met. Sucha),

- umieszczenie badanej próbki materiału w polu magnetycznym obserwacja ułożenia się proszku wzdłuż linii sił pola magnetycznego.

Wskutek zaburzeń w polu magnetycznym, występujących w miejscach wad, ziarna proszku na powierzchni badanego przedmiotu przybierają formy skupisk wskazujących na położenie i wielkość wad.

Metoda ta wykrywa tylko wady ułożone prostopadłe do linii sił pola magnetycznego, gdyż tylko takie jej ułożenie silnie zaburza pole magnetyczne. Wady równoległe do linii sił pola prawie nie wywołują zaburzeń. Dlatego wytwarza się zawsze kolejno dwa pola prostopadłe do siebie. Umożliwia to wykrycie wszystkich wad, podłużnie i poprzecznie ułożonych.

OGRANICZENIEM stosowania tej metody jest:

- niewielka głębokość, na której można wykrywać defekty, wynosi ona około 15mm,

- mogą one być stosowane tylko w materiałach ferromagnetycznych.

ZALETY to wykrywanie nie tylko wad w postaci rys, pęknięć, zanieczyszczeń żużlowych, lecz także obszarów naprężeń własnych, skupisk fosforków, węglików, różnic strukturalnych, rodzajów uwarstwienia itp

  1. Opis ćwiczenia:

Do badań wykorzystywaliśmy defektoskop ultradźwiękowy, składający się z następujących zespołów. Generator szybkozmiennych fal elektrycznych w krótkich odstępach czasu wytwarza impulsy drgań. Impulsy te są przekazywane przewodem do sondy nadawczej. Sonda ta przyłożona do powierzchni badanego przedmiotu (zwykle pokrytej olejem w celu zmniejszenia strat drgań przekazywanych do przedmiotu lub odbieranych) wysyła impulsy fal ultradźwiękowych.

W zależności od sposobu odbioru tych impulsów stosuje się dwie techniki badawcze:

  1. metoda cienia akustycznego;

  2. metoda echa.

Ad a)

W metodzie tej stosowane są dwie sondy umieszczone po przeciwnych stronach badanego przedmiotu. Wadą tej metody jest niemożliwość określenia głębokości zalegania wady. Metoda ta jest stosowana rzadko.

Ad b)

W metodzie echa obie sondy są umieszczone na górnej powierzchni badanego przedmiotu. Sonda S1 nadaje krótkotrwały impuls, który odbija się albo od przeciwległej powierzchni zewnętrznej, albo od wady, jeśli znajduje się ona pomiędzy sondami. Impulsy docierają do sondy odbiorczej i zostają zarejestrowane na ekranie lampy oscyloskopowej.

Metoda ta pozwala wnioskować o wielkości wady i głębokości jej zalegania na podstawie wielkości impulsu odbitego od wady i jego odległości od impulsu odbitego od przeciwległej zewnętrznej powierzchni.

W naszym ćwiczeniu pomiaru defektów dokonywaliśmy przy pomocy defektoskopu ultradźwiękowego. Używaliśmy jednej sondy, która równocześnie nadaje i odbiera impulsy. Sondę zwilżyliśmy olejem w celu zmniejszenia strat drgań. Nasza sonda wysyłała impulsy, które przechodziły przez próbkę, następnie odbijały się od powierzchni zewnętrznej i powracają do sondy. Odbite impulsy po wzmocnieniu przekazywane są do lampy oscyloskopowej, w której generator podstawy czasu odchyla wiązkę elektronów w kierunku poziomym, a odebrane impulsy w kierunku pionowym. Zostają zarejestrowane fale odbite od powierzchni górnej wady i powierzchni dolnej. Głębokość zalegania można obliczyć ze stosunku odległości 0x01 graphic
zmierzonych na ekranie.

Pomiary dokonywaliśmy na różnych przedmiotach: stal, pleksi.

Przed rozpoczęciem pomiaru mierzyliśmy grubość przedmiotu. Następnie po przyłożeniu sondy obserwowaliśmy wyniki pomiaru na ekranie lampy oscyloskopowej. Po przyłożeniu sondy, impuls przeszedł przez próbkę po czym po odbiciu się od zewnętrznej powierzchni próbki powrócił do sondy. Na ekranie zostały zarejestrowane wyniki. Widzimy wtedy, że próbka nie posiada żadnej wady, gdyż impuls przeszedł dokładnie przez całą próbkę.

W momencie, gdyby próbka posiadała wadę, to impuls odbiłby się od powierzchni wady. Porównując stosunki odległości moglibyśmy określić na jakiej głębokości zalega wada.

Wyniki pomiarów:

stal

pomiar grubości suwmiarką: 33,4 [mm];

odczyt z ekranu: 33,5 x 2

pleksi

pomiar grubości suwmiarką: 27,6 [mm];

odczyt z ekranu: 27,6 x 2

Odczyty z ekranu zawsze mnożymy razy 2.

8



Wyszukiwarka