Лекция 19 Часть III Методы контроля дефектов

Лекция № 19. Часть III. Методы контроля дефектов в деталях и изделиях из ПКМ Классификация дефектов и причины их возникновения Дефектом называют каждое несоответствие показателей качества изделия установленным требованиям. Неисправность – состояние изделия, при котором оно не пригодно к использованию. Понятие неисправность отличается от понятия дефект, поскольку дефектные изделия могут в течение некоторого времени выполнять свои функции, т. е. быть исправным. В тоже время неисправность может быть вызвана несколькими дефектами. Понятие неисправность не может относиться к материалам и веществам, а дефект - может. Классификация видов дефектов Признак Виды дефектов 1. По месту расположения 1. Поверхностные (наружные): трещины, сколы, царапины, неровности, нарушение текстуры поверхности. 2. Внутренние (расслоение, пористость, нарушение схемы армирования, раковины). 2. По легкости обнаружения 1. Явные (дефекты, которые можно обнаружить предусмотренными правилами в НТД и известными средствами контроля). 2. Скрытые. 3. С точки зрения устранимости 1. Устранимые (их можно исправить и это экономически целесообразно). 2. Неустранимые.

4. По наличию упоминания о них в НТД 5. По потенциальной опасности 6. С точки зрения стадии возникновения 1. Сведения о возможных дефектах имеются; 2. Сведения об их возникновении отсутствуют. Если станет известно, то необходимо внести сведения и способ обнаружения в НТД. 1. Критические, которые делают невозможным использование данного изделия или недопустимо по соображениям техники безопасности; 2. Значительные, которые оказывают существенное влияние на возможность и долговечность использования изделия; 3. Малозначимые, которые не сказывается на возможности использования данного изделия. Один и тот же дефект в разных изделиях может быть и критическим и малозначимым. 1. Конструкторские (возникают на стадии проектирования). 2. Производственно технололгические; q. Качество сырья и полуфабрикатов; q. Технологические режимы формования, сборки, мех- и термообработки. q. Конструкция оснастки; 3. Эксплуатационные.

7. По типу дефектов (контролируемому признаку) – наиболее важная. 1. Размерный брак, чаще всего толщина. 2. Несплошности: Расслоение; Непроклей; Крупные поры. 3. Пористость (мелкая). 4. Нарушение соотношения компонентов. 5. Нарушение схемы армирования. 6. Повышенная влажность. 7. Трещины, сколы (наружные). 8. Недоотверждение участка материала. 9. Низкие значения показателей свойств (физико-механических, теплофизических, твердости, проницаемости и др. ). 8. По значимости в зависимости от назначения изделия 1. В силовых конструкция (Несплошности); 2. В теплозащитных покрытиях (Теплофизические свойства, сквозные поры); 3. В радиопрозрачных (диэлектрические показатели) и т. п. Различают дефекты материалов (несоответствие состава, свойств и т. п. ) и дефекты изделий (отличие формы и размеров от заданной, непроклеи, неравномерность толщины клеевого слоя).

Причины возникновения дефектов. ØНесоответствие качества полуфабриката предъявляемым требованиям; ØНарушение режимов технологического процесса; ØДефектность оснастки; ØКонструкторские ошибки. Задача технолога: обнаружить дефект, выяснить причину возникновения дефекта, устранить ее и, по возможности, исправить дефект. Пример: Материал: реактопласт. Метод: литьевое прессование. Дефект: пористость изделия в стороне противоположной впрыску в литьевой форме. Причины: ØПлощадь сечения дегазационных каналов мала (оснастка); ØНизкая текучесть материала (материал); ØМного влаги и летучих веществ (материал). ØВысокая температура пластифицированного материала (технологический режим); ØВысокая температура формы (технологический режим). Но прежде чем исправить дефект, его сначала необходимо обнаружить. Для этого используются различные методы.

Сравнение разрушающих и неразрушающих методов контроля. Для обнаружения дефектов изделий и исследований свойств материалов служат следующие методы контроля: Ø Разрушающий; Ø Неразрушающий; Ø Аналитический; Ø Метрологический (проверочный). Сейчас наибольшее распространение получили разрушающие и аналитические методы контроля. Основное их достоинство состоит в том, что они позволяют определять объективные и абсолютные параметры материалов и изделий с высокой точностью (например, прочность). Аналитические методы, как правило, разрушающие, т. к. связаны с взятием проб, изготовлением специальных образцов, но отличаются высокой точностью. При этом они имеют следующие недостатки: ØНе обеспечивают непрерывности измерений при контроле кинетики или динамики технологических процессов изготовления изделий (например, в процессе термообработки); ØНе дают возможности оценить реальную кинетику изменения свойств материала непосредственно в изделии на различных его участках без вырезания образцов; ØС их помощью сложно выявить внутренние дефекты, т. к. для обнаружения дефекта необходимо разрушить образец (изделие); ØНе позволяют выявить изменение свойств в процессе эксплуатации (при воздействии внешней среды). В связи с этим в последнее время все большее распространение получают неразрушающие методы контроля, что позволяет для ответственных изделий переходить от выборочного к сплошному контролю.

Классификация методов неразрушающего контроля и используемая аппаратура Ø Ø Ø Ø Ø К средствам неразрушающего контроля относят контрольно измерительную аппаратуру, в которой используют проникающие поля, излучения или вещества для получения информации о качестве изделий. Классификации методов неразрушающего контроля приведена в ГОСТ 18353 -79. Всего существует 9 видов неразрушающего контроля: Радиационный; Акустический; Оптический; Тепловой; Радиоволновый (СВЧ контроль); Капиллярный, в т. ч. течеискание; Электрический; Электромагнитный и вихретоковый; Магнитный. Девять видов объединены в 7 групп (оптический + тепловой; электромагнитный + электрический).

По техническому исполнению средства для неразрушающего контроля подразделяются на 3 класса: Ø Ø Ø q q Автономные приборы для контроля одной или нескольких взаимосвязанных характеристик; Комплексные системы, автоматические линии контроля различных показателей и роботы контролеры, предназначенные для определения ряда основных параметров характеризующих качество изделия; Системы неразрушающего контроля для автоматического управления технологическим процессом по качественным и количественным признакам. По видам контролируемых параметров и решаемым задачам аппаратуру неразрушающего контроля подразделяют на 4 группы: Решаемые задачи – дефектоскопия и интроскопия. Приборы дефектоскопы (предназначены для обнаружения дефектов типа несплошностей: трещины, крупные поры и т. д. ). Решаемая задача – размерный контроль. Приборы для контроля габаритных размеров, в первую очередь толщины, кроме того, для обнаружения наружных и внутренних диаметров, толщин стенок и покрытий и т. д. Решаемая задача – структурометрия. Приборы для измерения физико-механических и физико-химических характеристик и структуры материала (электрических, механических, химического состава, структуры). Решаемая задача – техническая диагностика. Приборы и датчики (микросенсоры) для технической диагностики и прогнозирования возникновения различного типа дефектов, в том числе нарушения сплошности.

Каждый из 9 видов контроля подразделяют на методы по следующим признакам: Ø Ø Ø Характер взаимодействия поля или вещества с объектом контроля. Взаимодействия должен быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенное изменение поля или состояния вещества, которое можно было зафиксировать с помощью какого-либо контролируемого параметра. Первичный информативный параметр – это конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время распространения, количество вещества и т. п. ) изменение которого используют для характеристики объекта контроля. Способ получения первичной информации – это конкретный тип датчика или вещества, который используют для измерения или фиксации упомянутого выше первичного информативного параметра. При неразрушающем контроле в зависимости от условий контроля, природы материала или размера дефекта, дефект может быть обнаружен или нет. При этом водится понятие предельная чувствительность дефектоскопа. Она характеризуется минимальным размером дефекта, который еще может быть обнаружен с заданной вероятностью (0, 99) в данном изделии при данной настройке аппаратуры. Необходимо учитывать, что каждому варианту контроля может соответствовать своя предельная чувствительность для одного и того же изделия. С дрогой стороны, при одной и той же настройке аппаратуры при контроле различных изделий (разные материалы) также будут иметь место разные значения предельной чувствительности.

Основные требования, предъявляемые к измерительной информации Ø Ø Ø Результаты измерений должны быть выражены в узаконенных единицах. Должна быть известна погрешность выполняемых измерений. Погрешность не должна превышать пределы допустимых значений. Факторы, влияющие на выбор метода неразрушающего контроля Технические характеристики методов: Ø Ø Чувствительность метода характеризует минимальный характеристический размер надежно выявляемого дефекта. Она может быть выражена в различных единицах мм, см 3, %, Вт и т. п. ; Разрешающая способность метода – это минимальное расстояние между двумя минимальными, но еще выявляемыми дефектами, при котором еще возможна их раздельная регистрация; Ø Достоверность метода – характеризуется вероятность отбраковки годного изделия или же пропуском дефектного; Ø Требования по техники безопасности. Ø Тип дефекта (расслоение – конкретный набор методов контроля, пористость – другой набор). Ø Физические свойства материала и его состав (Рентгеновские методы более пригодны для более плотных материалов, акустические – для мене плотных и т. п. ). Ø Форма и размер изделия (листы, цилиндр, сфера).

Ø Инструментальная доступность всех элементов объекта контроля и возможного места расположения дефекта В случае технического контроля деталей и изделий (продукции) одним из важнейших их свойств является свойство «контролепригодности» . Это свойство конструкции или изделия обеспечивать возможность, надежность и удобство его контроля в процессе изготовления, испытания, технического обслуживания и эксплуатации. Необходимо учитывать, что свойство «контролепригодности» закладывается на стадии проектирования продукции. ØУсловия контроля: лаборатория, цех или полевые условия (наличие питания, инструментальной базы и т. п. ); Ø ТУ не отбраковку (размер допустимого дефекта); Ø Состояние поверхности (размер неровностей, шероховатость, влажность и т. п. ) и т. д. Классификация неразрушающих методов контроля по природе используемого явления Вид контроля Вид поля или излучения λ/f Размер дефекта f = const - Магнитный Магнитное Электрический Электромагнитное f до 10 к. Гц Свойства Вихретоковый Наведенные в объекте контроля вихревые токи (только для УУКМ) f до 1 МГц материалов Толщинометрия Радиоволновый Радиоволны СВЧ диапазона λ=1 -100 мм (8 мм-3 см) f =3∙ 1093∙ 1011 Гц см, м

Тепловой Инфракрасное излучение λ =103 -0, 78 мкм f =3∙ 10113∙ 1014 Гц мм Оптический Видимая часть спектра λ =0, 78 -0, 38 мкм f =3∙ 10103∙ 1018 Гц 0, 2 мкм Радиационный Рентгеновское излучение непрерывное или корпускулярное λ =10 -3 -10 -10 мкм f 183∙ 1021 =3∙ 10 Гц 10 Ао (10 нм) Все перечисленные выше методы используют электромагнитные поля и излучения, причем от первого метода к седьмому λ уменьшается, f увеличивается и уменьшается размер обнаруженного дефекта. Акустический Механические волны f =20∙ 10310 -3 мм 1∙ 109 Гц 50 Гц50 Мгц Капиллярный Метод основан на использовании специальных веществ; в основе метода лежит явление капиллярного поднятия или капиллярной депрессии.

Лекция 20. Радиационный контроль основан на взаимодействии с объектом контроля ионизирующих (проникающих) электромагнитных и корпускулярных излучений и регистрация результатов этого взаимодействия. Используют не менее трех основных элементов: Ø Ø Ø Источник излучения; Объект контроля; Индикатор или детектор для регистрации дефектоскопической информации. 4 1 3 2 1 – источник ионизирующего излучения, 2 – объект контроля, 3 – дефект, 4 – индикатор (регистрирует прошедшее излучение). При прохождении через объект контроля энергия ионизирующего излучения ослабляется в результате процессов поглощения и рассеивания. Степень ослабления зависит от толщины и плотности контролируемого объекта (его материала), а также от интенсивности и энергии излучения. При наличии в объекте контроля внутренних дефектов появляется разность в толщине . В результате изменяется интенсивность и энергия прошедшего через объект контроля излучения, что фиксируется индикатором.

Ø Ø Ø Существуют 2 схемы радиационного контроля: По прошедшему излучению; По рассеянному (отраженному) излучению. Первая схема наиболее распространена. Схему по прошедшему излучению используют для решения задач дефектоскопии, интроскопии (изучение внутреннего строения). Преимущества: Минимальные потери излучения, минуя объект контроля; Сравнительно малое влияние на результаты контроля взаимного перемещения объекта контроля, источника или индикатора. Недостатки: Требуется двухсторонний доступ к изделию; Происходит искажение размера дефектов на индикаторе по сравнению с реальными. Контроль по рассеянному (отраженному) излучению заключается в регистрации излучения с той же стороны, с которой расположен источник. Отраженное или рассеянное излучения применяется, как правило, при контроле толщины изделия (толщинометрии), изучении изделий из многослойных материалов, либо для оценки состава материала.

Методы радиационного контроля классифицируют, как правило, по способам регистрации дефектоскопической информации. Различают три способа регистрации: ØРадиографический; ØРадиоскопический; ØРадиометрический. При радиографическом контроле изображение объекта контроля фиксируется на рентгеновской фотопленке, фотобумаге или специальных пластинах. При радиоскопическом контроле изображение об объекте контроля выводится на экран телевизора или другого подобного прибора. При радиометрическом контроле регистрируются электрические сигналы, которые выводятся на самописец. Причем величина сигналов зависит от толщины объекта контроля и состава материала.

Теоретические основы радиационного контроля. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Излучение при взаимодействии с веществом объекта контроля изменяется. В процессе изменения оно: Ø Поглощается (полностью или частично). Ø Рассеивается, что изменяет его интенсивность энергию, спектральный состав и направление движения квантов. Ø Переизлучается. Взаимодействуя с веществом объекта контроля ионизирующее излучение приводит к возникновению ряда эффектов, которые используются для регистрации результатов этого взаимодействия: ØТеплового (нагрев под действием излучения); ØЭлектрического (ионизация); ØХимического или фотохимического; ØЛюминесцентного; ØБиологического – не используется. Эти эффекты используют в преобразователях излучения в видимое изображение, излучение или электрический сигнал.

Основные характеристики излучения: Ø Поток энергии (F) Ø Мощность источника (W). Ø Интенсивность (плотность потока энергии) (I). Ø Экспозиционная (поглощенная) доза. Ø Энергия кванта (е). Ø Спектральная характеристика. Поток энергии F это отношение суммарной энергии Е частиц или квантов ионизирующего излучения, проникающих в объем элементарной сферы с площадью поперечного сечения S, отнесенный к этой площади: Мощность источника W это отношение суммарной энергии частиц или квантов, излучаемых источником излучения за единицу времени: Интенсивность излучения (плотность потока энергии) I это отношение приращения энергии ионизирующего излучения ΔΕ, проходящего через сферу с площадью S за время Δτ: Где: Е – энергия; S – площадь сечения; - время.

Интенсивность излучения характеризует источники излучения. Изменяется интенсивность излучения обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения до объекта. Поэтому обычно интенсивность излучения указывают на определенном расстоянии от источника (1 м). Где: I 0 и R 0 – интенсивность излучения на расстоянии 1 м (R 0); I – интенсивность излучения на расстоянии R. Каждый фотон или частица излучения характеризуется энергией или ее максимальным значением. Квант излучения, попадая на вещество, либо, отражается, либо рассеивается, либо приводит к появлению новых свободно движущихся частиц или фотонов. Часть квантов может вообще не взаимодействовать с веществом. Энергия кванта: Где - длина волны; с – скорость света; h – постоянная Планка. Энергия кванта определяет его проникающую способность и, следовательно, возможность выявления дефектов в изделиях различной толщины и плотности. Состав излучения описывает его спектральная характеристика: зависимость интенсивности (энергии) излучения для выбранного диапазона длин волн. Излучения характеризуют: Флюенс (перенос) частиц: Плотность потока частиц: Поток частиц: Где: N – число частиц, прошедших через площадь S за единицу времени.

При взаимодействии с веществом излучение, как отмечалось выше, полностью или частично поглощается. Для характеристики этого явления используют следующие показатели: Ø Поглощенная доза (Dпогл). Ø Экспозиционная доза (Dэксп). Ø Мощность поглощенной дозы (Pпогл). 1. Поглощенная доза Dпогл равна средней энергии, переданной излучением веществу, деленной на массу. Где: m – масса; Е – энергия. Поглощенная доза зависит от свойств излучения и поглощающей среды. 2. Экспозиционная доза Дэксп равна заряду, созданному излучением в единице массы воздуха. Где: Q – заряд. 3. Поглощенная и экспозиционная дозы связаны между собой коэффициентом КЭП [рентген/рад; Кл/Дж]. 4. Мощность поглощенной дозы Рпогл – величина дозы, поглощенной в единицу времени

Для немоноэнергетического источника дополнительно вводится понятие эквивалентная доза, при этом важнейшие показатели: Спектральный состав вторичного излучения; Ø Величина; Ø Распределение интенсивности; Ø Направление прихода излучения. Длина волны, характеризующая ионизирующее излучение, соизмерима с межатомными расстояниями, поэтому эти излучения взаимодействуют с атомными ядрами и электронными оболочками, чего не наблюдается при других типах излучения. Поглощение первичного излучения (In) приводит к изменению интенсивности прошедшего через объект контроля излучения по экспоненциальному закону: Где: In – интенсивность падающего излучения, - линейный коэффициент поглощения [1/м], δ –толщина объекта контроля. In I Кроме поглощения излучения проявляются процессы: Ø Возникновение новых видов излучения, которых не было в первичном пучке, они имеют меньшую энергию квантов и распространяются в разных направлениях вплоть до обратного. Ø Расширение угла, в котором распространяется излучение (широкий пучок).

Ø Ø Ø Рентгеновское и гамма излучение. Они имеют близкую физическую природу. Взаимодействуют с веществом в форме электромагнитных колебаний, отличающихся длиной волны (энергией кванта). Взаимодействие с веществом, в зависимости от энергии излучения, происходит по трем процессам, сопровождающимися следующими эффектами: Фотоэлектрическим; Рассеяния; Образования пары электрон-позитрон. 1. Фотоэлектрический эффект заключается в том, что при получении электроном оболочки атома энергии от фотонов излучения большей, чем его энергия связи с атомом, он переходит в зону проводимости, а его место занимает электрон с внешней оболочки атома. Это сопровождается появлением характеристического излучения. Фотоэффект преобладает над другими эффектами при низких значениях энергии квантов. Характеризуется линейным коэффициентом фотоэлектрического поглощения: ф. Он уменьшается с повышением энергии кванта излучения и возрастает с увеличением атомного номера вещества.

2. Рассеяние проявляется в двух формах: Характеризуется линейным коэффициентом ослабления за счет рассеяния μр. ØКлассическое (когерентное). Характеризуется р1. ØКомптоновское (не когерентное). Характеризуется р2. Когерентное рассеяние наблюдается, когда на вещество попадает длинноволновое излучение (при λ>0, 03 нм), а энергия первичного пучка оказывается соизмеримой с энергией связи электрона с ядром. При этом первичные фотоны вызывают колебания слабо связанных с атомами электронов, которые при этом излучают вторичные рассеянные γ кванты. Этоо излучение состоит из переизлучения полученной энергии в виде фотонов с той же частотой, но двигающихся в произвольном направлении. Где: ρ – плотность, z- порядковый номер элемента; A – атомная масса. Для большинства атомов Если первичные кванты имеют длину волны менее 0, 03 нм наблюдается комптоновское рассеяние. При комптоновском рассеянии электрону передается лишь часть энергии кванта, в результате появляется вторичная частица, движущаяся под углом от 0 до 900 к первичному направлению кванта. А не поглощенная им часть энергии кванта будет преобразована в меньшую энергию вторичного фотона, который распространяется в любом направлении. Комптоновское рассеяние является основным процессом взаимодействия излучения с веществом в широком интервале энергий излучения. Длина волны вторичных электронов зависит от угла рассеяния

Интенсивность вторичного излучения в виде фотонов также зависит от направления их выхода и характеризуется диаграммой, приводимой в литературе. Где: Кэ – коэффициент интенсивности по направлениям; m 0 – масса покоя электрона; ν 0 – частота первичного кванта; h – постоянная планка; с – скорость света. Коэффициент ослабления при комптоновском рассеянии можно оценить по формуле: 3. Образование пары электрон – позитрон наблюдается при самых высоких значениях энергии. Электрон и позитрон двигаются в веществе и могут взаимодействовать с другими атомами. При взаимной встрече они аннигилируют и создают два кванта, движущиеся в противоположном направлении. В результате излучение идет во всех направлениях – широкий пучок. С увеличением интенсивности излучения увеличивается вклад эффекта от первого к третьему. Общий линейный коэффициент ослабления излучения определяется суммой всех процессов: Этот показатель сравнительно легко рассчитывается только для простых веществ, но не для ПКМ.

излучение Представляет собой поток электронов. Электроны проникают в объект контроля на меньшее расстояние, чем рентгеновское или гамма излучение, и быстро поглощается веществом. Поток электронов можно использовать для изучения тонких верхних слоев, наличия в них дефектов и состава вещества. При увеличении мощности излучения с целью увеличения глубины контроля появляется тормозное излучение Представляет собой поток атомов гелия (4 а. е. ) без электронов, которые имеют положительный заряд. Как и поток электроны проникают неглубоко в вещество. Редко используют в неразрушающем контроле. Нейтронное излучение. Нейтроны не имеют электрического заряда. Поэтому они слабо взаимодействуют с ядрами. Вероятность этого взаимодействия зависит от энергии нейтронов. Взаимодействие с ядром происходит в виде упругого и неупругого рассеяния. Взаимодействие определяется энергией нейтронов, в соответствии с которой их подразделяют на группы: ØУльтрахолодные; Е<10 -7 э. В ØХолодные; Е =10 -7 ÷ 5 х10 -3 ØТепловые; Е =10 -3 ÷ 0, 1 ØНадтепловые; Е =0, 1 ÷ 500 ØПромежуточные; Е =500 ÷ 2 х105 ØБыстрые; Е =2 х105 ÷ 20 х106 ØСверхбыстрые; Е>106 э. В

ØУльтрахолодные ØХолодные ØТепловые ØНадтепловые ØПромежуточные ØБыстрые ØСверхбыстрые Уменьшает ся проницающ ая способност ь увеличиваеится вероятность взаимодействи я с материалом У ультрахолодных и холодных нейтронов очень высокая проникающая способность, а вероятность взаимодействия с материалом мала. В случае быстрых и сверхбыстрых нейтронов проникающая способность уменьшается, а вероятность взаимодействия с материалом выше, т. е. проходят ядерные реакции. Применяют нейтроны для контроля толстостенных изделий из тяжелых элементов (металлов) в строительстве, оборонной технике.

Спасибо за внимание