Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка3/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

1.1 Основні види діагностики матеріалів


1. Магнітний вид контролю базується на аналізі взаємодії магнітного поля з контрольованим об'єктом. Його, як правило, застосовують для контролю зразків із феромагнітних матеріалів. Процес намагнічування і перемагнічування феромагнітного матеріалу супроводжується гістерезисними явищами, що схематично зображені на рис. 1.1. Властивості, які потрібно контролювати (хімічний склад, структура, наявність нещільностей та ін.), зазвичай пов'язані з параметрами процесу намагнічування і петлею гістерезису.

а б


Рисунок 1.1 – Криві намагнічування феромагнітних матеріалів:

а – магнітожорсткого; б – магнітом’якого (1 – основна крива намагнічування, 2 – петля гістерезису, 3 – стрибкоподібний характер намагнічування, що спостерігається при точних вимірах)


Магнітожорсткі матеріали (загартована сталь) порівняно з магнітом’якими матеріалами (не загартовані сталі) мають велику коерцитивну силу , меншу магнітну проникність і намагніченість , – магнітна стала, що дорівнює (Вс)/(Ам). Зазвичай і для характеристики матеріалу феромагнетика вимірюють при малій напруженості намагнічуваного поля Н. У деяких випадках також вимірюють залишкову намагніченість . Ці первинні інформативні параметри використовують для контролю ступеня загартування, характеристик міцності та інших властивостей матеріалів. Наявність і кількість феритної складової в неферомагнітних матеріалах можуть бути визначені за намагніченості насичення, тобто при великих полях намагнічування. Ця величина тим більша, чим більший вміст фериту.

Високоточне вимірювання кривої намагнічування показує, що вона має стрибкоподібний характер (область 3 на рис. 1.1) у ділянці крутого підйому. Це так званий ефект Баркгаузена. Стрибки виникають унаслідок перемагнічування областей спонтанного намагнічування (доменів), що містяться у феромагнітному матеріалі. Параметри стрибків кривої намагнічування (їх кількість, величина, тривалість, спектральний склад) використовують як первинний інформативний параметр для контролю таких властивостей матеріалу, як хімічний склад, структура, ступінь пластичної деформації.

При намагнічуванні об'єкта контролю, поблизу поверхні якого є несуцільність (дефект), в області дефекту відбувається різка просторова зміна напруженості магнітного поля, виникає поле розсіяння (рис. 1.2). Зміна напруженості магнітного поля, точніше градієнта напруженості, використовують як первинний інформативний параметр для виявлення дефектів.

Рисунок 1.2 – Приклад просторової зміни магнітного поля в області дефекту


2. Електричний вид неруйнівного контролю ґрунтується на реєстрації параметрів електричного поля, що взаємодіє з контрольованим об'єктом (власне електричний метод), або поля, що виникає в контрольованому об'єкті внаслідок зовнішньої дії (термоелектричний і трибоелектричний методи). Первинними інформативними параметрами є електричні ємність і потенціал.

Ємнісний метод застосовують для контролю діелектричних або напівпровідникових матеріалів. За зміною діелектричної проникності, зокрема її реактивної частини (діелектричними втратами), контролюють хімічний склад пластмас, напівпровідників, наявність у них нещільностей, вологість сипких матеріалів та інші властивості.

Метод електричного потенціалу застосовують для контролю провідників. Вимірюючи падіння потенціалу на деякій ділянці, контролюють товщину провідного шару, наявність нещільностей поблизу поверхні провідника. Електричний струм огинає поверхневий дефект, за збільшенням падіння потенціалу на ділянці з дефектом визначають глибину нещільності з похибкою в кілька відсотків.

3. Вихрострумовий вид неруйнівного контролю базується на аналізі взаємодії електромагнітного поля перетворювача з електромагнітним полем вихрових струмів, що наводяться в контрольованому об'єкті. Його застосовують лише для контролю виробів з електропровідних матеріалів. Вихрові струми в об'єкті збуджують за допомогою перетворювача у вигляді котушки індуктивності, що живиться змінним або імпульсним струмом. Приймальним перетворювачем (вимірником) слугує та сама або інша котушка. Збуджувальну і приймальну котушки розташовують або з одного боку, або по різні боки від контрольованого об'єкта (метод проходження).

За взаєморозташуванням перетворювача та об'єкта розрізняють прохідні, накладні та екранні перетворювачі. На рис. 1.3 наведено приклад вихрострумового прохідного перетворювача.

Контроль вихровими струмами виконують без безпосереднього контакту перетворювачів з об'єктом, що дозволяє вести його при взаємному переміщенні перетворювача та об'єкта з великою швидкістю, полегшуючи тим самим автоматизацію контролю.

4. Радіохвильовий вид неруйнівного контролю та його різновид – ближньопольова НВЧ-діагностика – базуються на реєстрації змін параметрів електромагнітних хвиль радіодіапазону, що взаємодіють із контрольованим об'єктом. Зазвичай застосовують хвилі надвисокочастотного (НВЧ) діапазону довжиною 1–100 мм і контролюють вироби з матеріалів, де радіохвилі не надто сильно загасають: діелектрики (пластмаси, кераміка, скловолокно), магнітодіелектрики (ферити), напівпровідники, тонкостінні металеві об'єкти. За характером взаємодії з об'єктом контролю розрізняють методи прохідного, відбитого, розсіяного випромінювання і резонансний метод. Первинними інформативними параметрами є амплітуда, фаза, поляризація, частота, геометрія поширення вторинних хвиль, час їх проходження та ін.

Рисунок 1.3 – Вихрострумовий перетворювач прохідного типу


5. Тепловий вид базується на реєстрації змін теплових або температурних полів об'єктів. Він застосовується до об'єктів із будь-яких матеріалів. За характером взаємодії поля з контрольованим об'єктом розрізняють методи: пасивний, або власного випромінювання (на об'єкт не впливають зовнішнім джерелом енергії), та активний (об'єкт нагрівають або охолоджують від зовнішнього джерела). Вимірюваним інформативним параметром є температура, або тепловий потік.

6. Оптичний вид неруйнівного контролю ґрунтується на спостереженні або реєстрації параметрів оптичного випромінювання, що взаємодіє з контрольованим об'єктом. За характером взаємодії розрізняють методи прохідного, відбитого, розсіяного та індукованого випромінювання. Останнім терміном визначають оптичне випромінювання об'єкта під дією зовнішнього впливу, наприклад люмінесценцію. Первинними інформативними параметрами є амплітуда, фаза, ступінь поляризації, частота або частотний спектр, час проходження світла через об'єкт, геометрія заломлення та відбиття променів.

Оптичні методи широко застосовують для контролю прозорих об'єктів. У них виявляють макро- і мікродефекти, структурні неоднорідності, внутрішні напруження (за обертанням площини поляризації). Використання гнучких світловодів, лазерів, оптичної голографії, телевізійної техніки різко розширило сферу застосування оптичних методів, підвищило точність вимірювання.

7. Радіаційний вид неруйнівного контролю ґрунтується на реєстрації та аналізі проникаючого іонізуючого випромінювання після його взаємодії з контрольованим об'єктом. Залежно від природи іонізуючого випромінювання цей вид контролю поділяють на підвиди: рентгенівський, гамма-, бета- (потік електронів), нейтронний методи контролю. Останнім часом знаходять застосування навіть потоки позитронів, за ступенем поглинання яких визначають ділянки об'єкта, збіднені або збагачені електронами.

Найбільш широко для контролю якості використовують рентгенівське та гамма-випромінювання. Їх можна використовувати для контролю виробів із найрізноманітніших матеріалів, шляхом підбору необхідного частотного діапазону. Ці види випромінювання, як і раніше розглянуті, є електромагнітними хвилями. При цьому частота коливань підвищується від методу до методу. Магнітні та електричні методи використовують постійні або повільно мінливі поля. У вихрострумовому контролі частоти досягали мегагерцового діапазону. Далі частота збільшувалася при використанні НВЧ, інфрачервоного, оптичного випромінювань. Рентгенівське і гамма-випромінювання є найбільш короткохвильовими з усіх, розглянутих раніше, наприклад гамма-випромінювання має довжину хвилі  м (частоту  Гц).

8. Акустичний вид неруйнівного контролю, на відміну від вищерозглянутих, базується на реєстрації параметрів пружних хвиль, що виникають або збуджуються в об'єкті. Найчастіше використовують пружні хвилі ультразвукового діапазону (із частотою коливань вище 20 кГц), цей метод називають ультразвуковим. На відміну від усіх раніше розглянутих методів тут застосовують і реєструють не електромагнітні, а пружні хвилі, параметри яких тісно пов'язані з такими властивостями матеріалів, як пружність, густина, анізотропія (нерівномірність властивостей із різних напрямків) та ін. Акустичні властивості твердих матеріалів і повітря настільки сильно відрізняються, що акустичні хвилі відбиваються від найтонших зазорів шириною мм. Цей вид контролю придатний до всіх матеріалів, що досить добре проводять акустичні хвилі металів, пластмас, кераміки тощо.

Активні ультразвукові методи, різноманітні за схемами застосування, набули великого поширення.

Найбільш широке застосування отримав метод відбиття, або ехо-метод (рис. 1.4). Перетворювач 1 збуджує в об'єкті контролю 2 ультразвуковий імпульс. Він відбивається від нижньої поверхні об'єкта або дефекту 3 і приймається тим самим (або іншим) перетворювачем. Генератор електричних імпульсів 4, 6 синхронізований з генератором розгортки 7 електронно-променевої трубки 5. Відбиті сигнали посилюються і викликають появу на лінії розгортки піків. Зокрема на рис. 1.4 показаний сигнал, що посилається у виріб 8, ехосигнал від дефекту 9 і донний сигнал 10. Інформативними параметрами в цьому разі є амплітуда та час приходу імпульсів. Засобом порушення і приймання ультразвукових хвиль, як правило, є п'єзоперетворювачі.

9. Сфокусовані пучки заряджених частинок у діагностиці матеріалів застосовують для отримання повної інформації про нанооб'єкти на атомарному рівні. Проведення досліджень різних властивостей матеріалів та об'єктів, структурованих у мікро- і нанорозмірних масштабах, та їх діагностика є одним із пріоритетних напрямків сучасної науки і техніки. У зв'язку з цим стоїть завдання створення нових видів апаратурних комплексів (АК) і методів, які могли б забезпечити проведення аналізу мікроструктури й елементного складу нових наноматеріалів і нанооб'єктів. Серед широкого різноманітності фізичних принципів, на основі яких розробляються нові АК, особлива увага приділяється сфокусованим пучкам заряджених частинок. Насамперед це пов'язано з тим, що нижня межа розмірів сфокусованого пучка зараз знаходиться у нанометровому і суб-нанометровому діапазонах. Тому за рахунок детектування продуктів взаємодії частинок пучка з речовиною можна отримувати інформацію про мікроструктуру й елементний склад досліджуваних об'єктів.

Рисунок 1.4 – Схема імпульсного ультразвукового дефектоскопа


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка