Физические основы магнитной структуро- и дефектоскопии.

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для изделий из ферромагнитных материалов. Магнитные характеристики таких материалов являются информативными параметрами, так как зависят от их физико-механических свойств, химического состава, вида механической и термической обработки, а также от размеров и сплошности изделий.

К числу информативных параметров, используемых в магнитном неразрушающем контроле (НК), относятся: коэрцитивная сила Н_с, намагниченность М, остаточная магнитная индукция B_r, начальная или максимальная магнитная проницаемость μ, параметры петли гистерезиса В(Н), параметры скачков Баркгаузена, параметры магнитооптического эффекта и др.

По способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного контроля:

- магнитопорошковый (МП), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния над дефектами с использованием в качестве индикатора ферромагнитного порошка или магнитной суспензии;

- магнитографический (МГ), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния с использованием в качестве индикатора ферромагнитной пленки;

- феррозондовый (ФЗ), основанный на измерении напряженности магнитного поля феррозондами;

- эффекта Холла (ЭХ), основанный на регистрации магнитных полей датчиками Холла;

- индукционный (И), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния по величине или фазе индуктируемой ЭДС;

- пондеромоторный (ПМ), основанный на регистрации силы отрыва (притяжения) постоянного магнита или сердечника электромагнита от контролируемого объекта;

- магниторезисторный (MP), основанный на регистрации магнитных полей рассеяния магниторезисторами;

- магнитооптический (МП), основанный на визуализации доменной структуры материала с помощью феррит-гранатовой пленки с зеркальной подложкой.

С помощью перечисленных методов можно осуществить контроль сплошности (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И, MP, МО), размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ), структуры и физико-механических свойств (ФЗ, ЭХ, И, МО).

Ферромагнитные материалы относятся к веществам, которые под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля способны намагничиваться. При этом они сами в окружающем пространстве создают магнитное поле.

Для количественной оценки способности вещества намагничиваться в магнитном поле вводят безразмерную характеристику - магнитную восприимчивость . Для изотропного вещества, свойства которого одинаковы во всех направлениях, связь между намагниченностью М и напряженностью магнитного поля Н устанавливается соотношением

.

Напряженностью магнитного поля Н (векторная величина) называется сила, с которой единичный полюс в данной точке пространства отталкивается или притягивается.

Магнитной индукцией называется силовая (векторная) характеристика магнитного поля, складывающаяся из индукции внешнего намагничивающего поля  и индукции поля, создаваемого ферромагнетиком

,

где  - магнитная постоянная (магнитная проницаемость пустоты).

Величина  называется относительной магнитной проницаемостью, она является безразмерной физической величиной, характеризующей магнитные свойства ферромагнетиков. Чем больше проницаемость, тем меньше магнитное сопротивление R, которое обратно пропорционально магнитной проницаемости, т. е. .

В зависимости от величины  все вещества делят на три класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

У диамагнетиков  у парамагнетиков;  у ферромагнетиков  (10⁴ и более).

Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков рядом свойств:

- кривая намагничивания, выражающая зависимость между Н и В, для парамагнетиков будет прямой, для ферромагнетиков из-за непостоянства μ она имеет сложный характер;

- магнитная восприимчивость ферромагнетиков при некоторой температуре, называемой температурой Кюри (точкой Кюри), исчезает: ферромагнетик размагничивается и превращается в парамагнетик;

- кривые намагничивания и перемагничивания ферромагнетика не совпадают - происходит своеобразное отставание изменения индукции от изменений напряженности намагничивающего поля. Это явление называют гистерезисом, а замкнутая кривая, изображающая зависимость В от Н при перемагничивании, называется петлей гистерезиса.

На зависимости В от Н выделяют ряд характерных точек, имеющих соответствующие названия.

Магнитной индукцией насыщения  называют индукцию, соответствующую максимуму М. Дальнейшее увеличение В с ростом Н осуществляется только за счет роста Н, так как .

В зависимости от достигнутой величины индукции при перемагничивании различают предельную и частную петли гистерезиса. Предельная петля соответствует намагничиванию материала до насыщения . Все остальные петли называются частными гистерезисными циклами, получаемыми при меньших, чем  напряженностях поля.

Петля магнитного гистерезиса:

0-1 - первоначальная кривая намагничивания из размагниченного состояния;

1-2 - нисходящая ветвь;

4-1 - восходящая ветвь;

1-2-3-4-1 - предельная петля гистерезиса.

Остаточной магнитной индукцией  называют индукцию, которая остается в предварительно намагниченном до насыщения материале после снятия магнитного поля.

Коэрцитивная сила  (от латинского coercitio - удерживание) - напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика (получения В=0 по предельной петле гистерезиса). Магнитные свойства ферромагнетиков (в первую очередь сталей) определяются их химическим составом.

Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них равномерно расположенных самопроизвольно намагниченных до точки насыщения доменов (объемов), разделенных граничным переходным слоем (домен - от французского domiane - владение, область, сфера). Размеры доменов колеблются в пределах (0,005...0,5)·10^{-3 м, толщина граничного слоя (0,25...0,35)·10-7 м. Векторы намагниченности каждого из доменов направлены вдоль так называемых направлений легкого намагничивания. Намагниченность соседних доменов направлена либо встречно, либо под углом 90°. Это связано с тем, что направлением легкого намагничивания ферромагнетика является ребро куба кристаллической решетки (для железа) или пространственная диагональ куба (для никеля). Ввиду хаотичности направлений этих векторов при отсутствии внешнего магнитного поля общая намагниченность всего объема материала равна нулю.}

При помещении ферромагнетика в магнитное поле границы между доменами начинают смещаться и векторы их намагниченности разворачиваются по направлению намагничивающего поля, в ре­зультате чего ферромагнетик намагничивается.

В качестве первичных информативных параметров при магнитном неразрушающем контроле чаще всего используют .

Все изменения в структуре материала в процессе его изготовления, обработки, зарождения и развития повреждений отражаются в соответствующих изменениях магнитных и электрофизических параметров. Появление этих изменений объясняется разворотом и перемещением доменов и междоменных границ, составляющих в совокупности доменную структуру материала. В основу методов магнитной структуроскопии положена корреляция между некоторыми магнитными и физико-механическими свойствами материалов, когда они одновременно зависят от одних и тех же факторов: химического состава, режима термообработки, напряженного состояния, накопления усталостных повреждений и др. По использованным магнитным информативным параметрам различают следующие разновидности магнитной структуроскопии:

- ферритометрия;

- коэрцитиметрия;

- контроль по остаточной намагниченности;

- контроль по магнитной проницаемости;

- контроль по магнитным шумам.

Наибольшее распространение нашли две первые разновидности магнитной структуроскопии.

Ферритометрия применяется для контроля ферритной фазы, повышенное содержание которой снижает трещиностойкость сталей и особенно сварных соединений.

Наиболее широко в структуроскопии используется зависимость между твердостью углеродистых и низколегированных сталей и их коэрцитивной силой. Твердость в свою очередь определяется температурой закалки и отпуска, что позволяет использовать коэрцитивную силу для контроля режимов термообработки стали.