Лекция 8

v связана с динамическим модулем упруго­сти Един и плотностью проверяемого

материала ρ соотношением, справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная задача).




Определив экспериментально скорость распространения волны ко­лебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечны­ми размерами, находим. Eдин=v2ρ, если плотность материала известна.
В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмер­ной (пространственной) и двумерной задач, а также для поперечных коле­баний зависимость между Eдин и v определяется более сложными соотно­шениями, в которые кроме входит также коэффициент Пуассона μ рассматриваемого материала.
Для одновременного нахождения всех трех параметров (Един, ρ и μ) необходимо сопоставление по крайней мере трех экспериментов по опре­делению v, произведенных в разных условиях с применением продольных и поперечных колебаний и в конструкциях разной размерности - простран­ственных, плитных и стержневых.

В начало

выпускаемых для этой цепи толщиномерах используется непре­рывное излучение продольных ультразвуковых

волн регулируемой часто­ты. На рисунке 3 показан график распространения колебаний (условно на­правленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки. Дойдя до противоположной ее грани, волна отражается и идет в обратном направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны (или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с ме­нее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают. Амплиту­ды колебании самой пьезопластинки при этом резко возрастают (явление резонанса), что сопровождается соответствующим увеличением разности потенциалов на ее поверхностях.





Рисунок 3 - Схема измерения толщины резонансным методом; 1 - исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и обратной «стоячей» волны; h - толщина детали
В начало

резонансную частоту f и зная скорость распространения волн по длине

2h (суммарный ход прямого и отраженного лучей), находим проверяемую толщину по формуле:





Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически постоянна ( v = 5,7∙105 см/сек), что даст возможность, меняя частоту в преде­лах от 20 до 100 000 Гц надежно измерять толщину стенок от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

В начало

преобразователи А и В располагаются симметрично относительно кра­ев трещины на

расстоянии а друг от друга (рисунок 4).





Колебания, возбуж­денные в точке А. попадут в точку В по кратчайшему пути:

где а - глубина трещины.

В начало

на это потребуется время, определяемое экспериментально


Глубину трещины находим из соотношения

где скорость v определяется обычно на неповрежденных участках поверх­ности
По указанному методу могут бить исследованы трещины глубиной до нескольких метров.
Следует, однако, иметь в виду следующее:
- значения v на поверхности и в глубине массива могут несколько отличаться;
- длина пути АСВ немного возрастет в случае невертикальности трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии в тре­щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн.
В ответственных случаях возможно получить данные для глубоких трещин
В начало

и железобетонных конструкциях производится:
- Определение прочности бетона
по корреляционным зависимо­стям между

скоростью распространения ультразвуковых волн и прочно­стью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразву­ковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и ре­жима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и де­талей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае невозможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориентировочное определение прочности бетона возможно по тарировочной зависимости;



В начало

и железобетонных конструкциях производится:
- контроль однородности бетона в сооружениях
выявление и

исследование дефектов в бетоне сквозным прозвучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до 10 м и более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и харак­тере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхно­сти (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);






В начало

и железобетонных конструкциях производится:
- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона
распо­ложения

слоев разной плотности и т.п.
Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.





В начало

импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных и алюминиевых конструкциях;
-

дефектоскопия основного материала;
толщинометрия (определение толщин защитных металлических покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:
- проверка физико-механических характеристик.
- проверка качества и дефектоскопия основного материала;
- дефектоскопия клеевых соединений и стыков.

В начало

на изменении скорости рас­пространения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого молот­ка

или специальными приспособлениями, например электрического дейст­вия, для нанесения небольших ударов заданной силы. Для приема и регист­рации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при ультразвуковом импульсном методе.
Этот метод используется для контроля асфальтового и цементного бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть применен также для испытания длинномерных (до 30 м) бетонных и железобетонных элементов.




В начало

на использовании колебаний звуковой частоты и применяется при испытаниях образцов

бе­тона (рисунок 5).
Рассматриваемый метод полезен при сооружении дорожных и аэ­родромных покрытий для получения быстрой и надежной информации о ходе технологического процесса и может также быть положен в основу автоматического управления.
При этом о характеристиках материала судят по частотам, соответ­ствующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступлении явления резонанса (откуда и другое наименование метода - «резонанс­ный»).
а) б) в)




Рисунок 5. Испытание образцов бетона резонансным методом: а - возбуждение продольных: б и в - изгибных колебаний; 1 - испытуемый образец; 2 - пьезопреобразователи
В начало

оригинальном методе к реги­стрирующему прибору, помимо сигналов, воспринимаемых приемным пре­образователем,

подводятся также сигналы генератора, возбуждающего не­прерывные колебания. В результате сложения этих сигналов на экране электронно-лучевой трубки появляются характерные изображения фигур Лиссажу. Меняя частоту в пределах ультразвукового и звукового диапазо­нов, а также положение и тип приемных преобразователей, можно наблю­дать изображения, соответствующие продольным, поперечным и поверхно­стным волнам и по ним оценивать характеристики материала на разной глубине его нахождения.






В начало

том. что магнитный поток, проходящий в металле и пересекающий трещину

или иной дефект, встречает большое магнитное сопротивление в виде прослойки воздуха или неферромагнитного включения, а силовые линии, искривляясь, выходят на поверхность, что обусловливает возникновение местных потоков рассеяния.








Рисунок 6 - Внешний вид магнитного дефектоскопа МИТ-1
В начало

такое искажение потока, выходящее за контур исследу-емого элемента. Рассеивание будет

тем значительнее, чем больше вызывающий его дефект. В одинаковых условиях наибольшим является влияние дефекта, располо-женного перпендикулярно к направлению силовых линий (рисунок 7б).





Рисунок 7 - Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока: а - образование местного магнитного потока рассеивания у трещины; 6 - влияние ориентировки дефекта;
1 - исследуемый элемент; 2 - трещина; 3 - силовые линии магнитного поля; 4 - местный магнитный поток рассеивания; 5 - дефект, ориентированный перпен­дикулярно магнитим силовым линиям; 6 - то же, параллельно им
В начало

электромагнитов с ис­пользованием индукционных токов, циркулярным намагничиванием (т.е. с пропуском

тока непосредственно через исследуемый элемент) и т.д. Необ­ходимость намагничивания в двух взаимно перпендикулярных направлени­ях для выявления различным образом ориентированных дефектов отпадает при применении комбинированного метода - с одновременным воздейст­вием как постоянного поля электромагнита, так и циркулярного поля пере­менного тока, что обусловливает переменное направление намагничивания. Выявление дефектов производится различными методами.






В начало

доступ­ным. В нем применяют мелкоразмолотые ферромагнитные порошки - же­лезный сурик,

окалину и т.п., выбирая цвет порошка контрастным по от­ношению к цвету предварительно зачищенной проверяемой поверхности. Порошок наносится или сухим способом (напылением) либо в виде водной суспензии, что предпочтительнее при контроле строительных конструкций, или керосино-масляной (этот прием целесообразен при контроле смазанных маслом деталей механизмов).
Над местами расположения дефектов порошок оседает в виде хо­рошо заметных скоплений. Четче всего выявляются поверхностные дефек­ты. Неровности сварных швов не мешают выявлению поверхностных дефектов, но затрудняют исследование расположенных в глубине. Так, на­пример, в швах толщиной 10 мм удовлетворительно в виде прямых линий выявляются непровары, расположенные на расстоянии 2...4 мм от поверх­ности и идущие вглубь на 3...5 мм.



В начало

сварных швов металлических трубопроводов. Намагничивание произво­дится соленоидами, охватывающими или всю

трубу или часть ее периметра при больших диаметрах. Витки соленоида располагаются параллельно шву по обеим его сторонам. Для фиксации потоков рассеивания на шов накла­дывается магнитная лента, аналогичная применяемой в магнитной звукоза­писи, но несколько большей ширины. Использованные ленты размагничи­ваются и становятся вновь пригодными к употреблению.
Для расшифровки записи используют звуковые индикаторы или устройства для визуального наблюдения импульсов на экране электронно­лучевой трубки и сопоставления их с импульсами от эталонированных де­фектов. Имеются устройства, дающие и видимые изображения выявленных дефектов.
Указанным методом может производиться сплошная проверка швов. Для контроля наиболее серьезные из отмеченных дефектов дополни­тельно просвечиваются ионизирующими излучениями. Такое комбиниро­ванное использование разных методов оказывается весьма эффективным.

В начало

рисунке 8 схе­матически показан принцип действия одного из наиболее известных

при­боров такого типа - дефектоскопа К.Х. Хренова и СТ. Назарова. Сигналы о наличии дефекта в производственных условиях преобразуются обычно в звуковые, но могут быть использованы как показывающие, так и регистри­рующие приборы (измерители тока или напряжения, осциллографы и т.п.).
 






Рис. 8 - Схема дефектоскопа К. X. Хренова и С. Т. Назарова:
1 - электромагнит; 2 - электромагнитный датчик; 3 - проводка к сета переменного тока; 4 - то же к усилителю; 5 - проверяемый элемент; 6 - дефект
 
 В начало

типа является довольно значительная длина базы их чувствительных элементов (в

данном случае сердечника 2), что затрудняет уточнение границ и протяженности дефектов, поскольку регистрируются усредненные данные по длине базы искателя.
Эти затруднения в значительной степени устраняются при пользовании феррозондами в виде малогабаритных линейных сердечников сечением до 1...3 мм с катушками.








 В начало

приборов толщина элементов из ферромагнитных металлов определяется с точностью до

не­скольких процентов, требуя доступа лишь с одной стороны. При этом ис­пользуется существующая зависимость между регистрируемой величиной магнитного потока и толщиной исследуемого материала. Приборы такого типа просты и надежны в работе.
При доступе с двух сторон магнитными и электромагнитными методами могут быть определены толщины и неферромагнитных ма­териалов, что и используется для управления технологическим процессом на поточной линии. В качестве примера на рис. 8 приведена схема маг­нитного толщиномера, где пара феррозондов 4 смонтирована вместе с по­стоянным магнитом 3 в «щупе» 2, С другой стороны элемента к нему при­жат аналогичный магнит. Положение магнита в щупе регулируется так, чтобы при заданной толщине стенки ток от обоих феррозондов был равен нулю. Шкала измерительного прибора 5 отградуирована на отклонения от заданной толщины.
 








 В начало

основанный на возникновении магнитной анизотропии под действием приложенных напряжений. Из

числа приборов, работающих по данному принципу, следует отметить прибор конструкции Н. Н, Максимо­ва, схема преобразователя которого (три сердечника с пятью катушками) показана на рис. 9.
В центре сердечника расположена питающая катушка 1, а по диа­гоналям его - две пары измерительных катушек (2 и 3). Магнитный поток из средней катушки, попадая в исследуемый материал, рассредоточивается в основном по четырем направлениям. При одинаковой магнитной прони­цаемости потоки будут равны, а при наличии же магнитной анизотропии – различны, что и измеряется прибором.
 
Рисунок 9 - Схема чувствительного элемента прибора Н. Н. Максимо­ва для определения остаточных напряжений: 1- питающая катушка; 2 и 3 - измерительные катушки; 4 - исследуемый элемент. Пунктиром со стрелками показано направление магнитных потоков исследуемом элементе.








 В начало

схема построена таким образом, что электродви­жущая сила катушек может определяться

как в каждой диагонали в отдель­ности, так и по их разности и сумме. При измерениях «на разность», пово­рачивая сердечник в плане, по экстремумам отсчетов выявляется направле­ние главных напряжений в металле. По повторным измерениям при одина­ковом положении сердечника можно судить о постоянстве напряженного состояния в данной точке или об его изменении. При измерениях «по сум­ме» можно судить о величине главных напряжений.
Необходимо иметь в виду следующее:
- магнитный поток, проходя в поверхностном слое металла, харак­теризует напряженное состояние лишь у поверхности элемента;
- на результаты измерений оказывает значительное влияние на­чальная магнитная анизотропия металла;
- при последовательных нагрузках и разгрузках появляются петли магнитного гистерезиса, не связанные с механическими напряжениями.
 В начало

металла по его магнитным характеристикам является метод «маг­нитных меток». Сущность

его заключается в наведении внешним маг­нитным полем остаточной намагниченности в отдельных локализованных зонах исследуемого металла. При изменении напряженного состояния по­следнего меняется и намагниченность этих «меток», являющихся таким образом своеобразными индикаторами механических напряжений.
Наведение и индикация намагниченности меток производятся с помощью специальных переносных приборов.
Рассматриваемый метол предложен для контроля натяжения арма­туры в железобетонных конструкциях. Как наведение, так и индикация со­стояния гранитных меток, могут осуществляться на оголенной арматуре до ее бетонирования и в уже забетонированных деталях и конструкциях - че­рез защитный слой бетона.
Необходимо подчеркнуть следующее:
данным методом выявляется лишь изменение напряженного со­стояния по сравнению с имевшим место при нанесении меток;
переход от измерения остаточной намагниченности меток к механическому напряжению в арматуре может быть произведен лишь при наличии экспериментально установленной зависимости для данной армату­ры, поскольку для разных меток металла эта зависимость не является ста­бильной;
чередование нагрузок и разгрузок сопровождается появлением петель магнитного гистерезиса. Для исключения их влияния требуется по­вторное нанесение меток перед переменой знака изменения напряжений.
Возможны и другие методы оценки напряженного состояния ме­талла, например, по изменению электрического сопротивления (проводи­мости) и токовихревой, успешно разрабатываемые в настоящее время.
Приборы рассматриваемого типа надежны и удобны в применении







 В начало

напряженного со­стояния металла по его магнитным характеристикам является метод «маг­нитных

меток». Сущность его заключается в наведении внешним маг­нитным полем остаточной намагниченности в отдельных локализованных зонах исследуемого металла. При изменении напряженного состояния по­следнего меняется и намагниченность этих «меток», являющихся таким образом своеобразными индикаторами механических напряжений.
Наведение и индикация намагниченности меток производятся с помощью специальных переносных приборов.
Рассматриваемый метод предложен для контроля натяжения арма­туры в железобетонных конструкциях. Как наведение, так и индикация со­стояния гранитных меток, могут осуществляться на оголенной арматуре до ее бетонирования и в уже забетонированных деталях и конструкциях - че­рез защитный слой бетона.



 В начало

методом выявляется лишь изменение напряженного со­стояния по сравнению с имевшим

место при нанесении меток;
- переход от измерения остаточной намагниченности меток к механическому напряжению в арматуре может быть произведен лишь при наличии экспериментально установленной зависимости для данной армату­ры, поскольку для разных меток металла эта зависимость не является ста­бильной;
- чередование нагрузок и разгрузок сопровождается появлением петель магнитного гистерезиса. Для исключения их влияния требуется по­вторное нанесение меток перед переменой знака изменения напряжений.





 В начало

на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых

токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте (Рис. 9). Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.

 В начало

поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к диаметру возбуждающей

обмотки, и убывает до нуля на оси ВТП при удалении. Плотность вихревых токов убывает также и по глубине объекта контроля. Следовательно, вихретоковые методы эффективны только для контроля поверхностных слоев объектов.
Особенность вихретокового контроля также и в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов или проводить дефектоскопию объекта с защитным нетокопроводящим покрытием. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактностъ и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля.


 В начало

типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине

(в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, железнодорожных рельсах, мелких деталях и т.д.), а также разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д. При использовании накладного преобразователя при благоприятных условиях контроля и малом влиянии негативных факторов удается выявить трещины глубиной 0,1-0,2 мм, протяженностью 1-2 мм.
ВТМ позволяют успешно решать задачи контроля размеров изделий. С помощью ВТМ измеряют диаметр проволоки, прутков и труб, толщину металлических листов и стенок труб при одностороннем доступе к объекту, толщину электропроводящих (например, гальванических) и диэлектрических (например, лакокрасочных) покрытий на электропроводящих основаниях, толщину слоев многослойных структур, содержащих электропроводящие слои. Измеряемые толщины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Для большинства приборов погрешность измерения составляет 2-5%.
С помощью ВТМ измеряют также зазоры, перемещения и вибрации в машинах и механизмах. Приборы, осуществляющие данный метод контроля, называются вихретоковыми толщиномерами. К основным видам толщиномеров относятся: толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях, толщиномеры электропроводящих покрытий на электропроводящем основании, толщиномеры электропроводящего слоя.

 В начало

глубины залегания арматуры предло­жены магнитометрические приборы, состоящие из двух постоянных

маг­нитов, в центральной части магнитного поля, которых расположен на оси небольшой магнит, соединенный со стрелкой-указателем. При приближении к арматуре напряженность магнитного поля в средней точке из­меняется, что обусловливает возникновение магнитного момента, повора­чивающего магнитик со стрелкой. Экстремум отклонения указателя соот­ветствует расположению прибора на поверхности контролируемого изде­лия над осями арматурных стержней, а отклонение стрелки указывает на толщину защитного слоя бетона.







 В начало

наиболее распространенных прибо­ров индукционного типа схематически показан на рис. 10.

 







Рисунок

10 - Индукционный прибор для проверки положения и диаметра арматуры и толщины защитного слоя: 1 - выносной индуктивный преобразователь; 2 - преобразователь в корпусе прибо­ра: 3 - стержень для регулирования индуктивного сопротивления; 4 - проводка к источнику переменного тока; 5 - проводка к отсчетному устройству; 6 - железобе­тонный элемент; 7 - арматурный стержень  В начало

преобразователь вдоль контролируемого стержня до положения, соответствующего мини­мальному отсчету, следя

за тем, чтобы преобразователь находился между пересечениями арматуры. Записав толщины защитного слоя по шкалам всех диаметров, повторяют отсчет, поместив между бетоном и преобразователем прокладку, толщиной, например, 10 мм из оргстекла, дерева или другого диамагнетика. Диаметр арматуры будет соответствовать той из шкал, разность отсчетов по которой окажется равной именно 10 мм.







 В начало

можно судить о состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствующими зависи­мостями

между электропроводимостью и влажностью для данного сорта дерева.
Измерения производятся с помощью игольчатых электродов, за­глубляемых в древесину на 5..10 мм, что характеризует элект­росопротивление ее поверхностного слоя. Для элементов, эксплуатируемых в течение длительного времени при постоянном температурно-влажностном режиме (например, для внутренних несущих конструкций в сооружениях), по этим данным можно судить о влажности по всей толщи­не сечений элементов.
 




 В начало

результатам лабораторных испытаний;
неразрушающими методами.

Метод отбора проб из конструкции
Образцы из сортового

и фасонного проката вырезаются вдоль направления прокатки огнем с отступом на 10 мм от грани будущей заготовки (припуски для предохранения образца от наклёпа и нагрева). Из листового металла образцы вырезают поперёк или в направлении силового потока, если направление прокатки не известно.
Образцы предпочтительно отбирать из ненагруженных или малонагруженных участков элемента. Вырезки заполняются вваркой вставок с усилением их накладками.
Образцы испытывают на растяжение и ударную вязкость стандартизированными лабораторными методами. Химический состав металла определяют на пробах в виде стружки.
Все замечания о трудностях и недостатках метода, описанные выше для бетонных образцов, распространяются и на образцы из металла.
В начало

ГОСТ 22690.4). (Иногда встречается название «Прибор Польди-Вайцмана»).
Наконечником прибора является шарик

2 диаметром 10 мм из твердой закаленной стали, дающий при ударе отпечаток одновременно на исследуемом металле 1 и на стальном эталонном бруске 3, твердость кото­рого HBэт должна быть заранее определена. Для получения отпечатков ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4.

Рисунок 1 - Схема прибора Польди:
1 - исследуемый материал;
2-стальной шарик;
3- эталонный брусок;
4- ударный стержень;
5- обойма прибора
В начало

конструкции определится из соотношения

НВ= HBэт∙

 

где D - диаметр стального шарика 2 (рис.2);
d - диаметр отпечатка на поверхности исследуемого материала;
dэт - то же, на эталонном бруске.

Рисунок 2 - Отпечатки, получаемые
с помощью прибора Польди:
1 - исследуемый материал;
2 - стальной шарик;
3 - эталонный брусок

В начало