MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

Transkrypt

1 MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE Temat ćwiczenia: Badania nieniszczące Miejsce ćwiczeń: sala 15 Czas: 2*45 min Prowadzący ćwiczenie: dr inż. Julita Dworecka-Wójcik, Zasady zaliczenia zajęć: 1) Obowiązkowa obecność na zajęciach. 2) Pozytywna ocena z krótkiego sprawdzianu z wiedzy teoretycznej (przeprowadzonego na początku zajęć). 3) Czynny udział w zajęciach. WSTĘP TEORETYCZNY Badanie nieniszczące (NDT- Nondestructive Testing, defektoskopia) jest to postępowanie, w wyniku którego uzyskuje się informację: o występowaniu materiałowych w obiektach, o właściwościach materiałów obiektów badanych i wymiarach obiektów, bez naruszenia ciągłości ich makrostruktury i mikrostruktury oraz powodowania zmian lub wpływania na ich właściwości użytkowe. Badania nieniszczące mają bardzo duży obszar zastosowań. Są one stosowane: o w technice, badaniach i diagnostyce - materiały wyjściowe do produkcji, półprodukty, wyroby gotowe, połączenia i konstrukcje, - obiekty naziemne, podziemne i podmorskie, - elementy oraz podzespoły maszyn i urządzeń, - elementy oraz podzespoły samolotów i statków, - elementy broni, pocisków. o w ochronie antyterrorystycznej (wykrywanie broni, ładunków wybuchowych) o w kryminalistyce (wykrywanie narkotyków, fałszywych dokumentów) o w ochronie środowiska (wykrywanie przecieków z rurociągów przesyłowych ropy) o w badaniach archeologicznych o w badaniach i konserwacji dzieł sztuki (wykrycie obrazów znajdujących się pod innymi obrazami czy autentyczność dzieła) Najczęściej badaniom nieniszczącym poddawane są m.in. połączenia (złącza spawane, klejone, zgrzewane, lutowane), obiekty wykonane z materiałów kompozytowych, warstwy, powłoki, pokrycia. Badania nieniszczące umożliwiają: 1. materiałowych, powierzchniowych, podpowierzchniowych i wewnętrznych obiektów (wykrywaniem materiałowych obiektów zajmuje się defektoskopia). 2. Ocenę właściwości materiałów, w tym np. pomiar twardości, zmiany struktury, itp. 3. Określenie wymiarów obiektów i pomiar grubości powłok. nieniszczącego wykrywania wad (za wadę uważa się wszelkie odstępstwa od przyjętych parametrów charakteryzujących stan materiału lub wyrobu) na różnych etapach 1

2 procesu produkcyjnego pozwala na wyeliminowanie elementów wadliwych, przez co przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów produkcji. Wyróżnia się wady pochodzenia technologicznego oraz wady powstające podczas eksploatacji. Wśród wad występujących w rzeczywistych stopach wyróżnia się, m.in.: 1. Wady odlewów Wady kształtu (guz, niedolew, wypaczenie) Wady powierzchni (pęcherz, fałda, strup, nadtopienie) Wady ciągłości (pęknięcie zimno, pęknięcie na gorąco, naderwanie) Wady wewnętrzne (porowatość, jama skurczowa, rzadzizna, segregacja) 2. Wady elementów po obróbce cieplnej Nadmierna zmiana kształtów i wymiarów Pęknięcia hartownicze Niepożądane zmiany powierzchni (nalot) Niepożądane zmiany warstwy wierzchniej (odwęglenie) 3. Wady złączy spawanych Pęknięcia (podłużne, poprzeczne, promieniowe, w kraterze) Pustki (pęcherz gazowy, gniazdo pęcherzy, por) Wtrącenia stałe (wtrącenie żużla, wtrącenie obcego metalu) Przeklejenia i brak przetopu Niezgodności spawalnicze dotyczące kształtu (podtopienie, wyciek, nawis) 4. Wady eksploatacyjne Pęknięcia zmęczeniowe Korozja Wśród badań nieniszczących należy wyróżnić następujące metody: - badania wizualne, - metoda penetracyjna, - metoda ultradźwiękowa, - metoda radiologiczna, - prądy wirowe, - metoda magnetyczna, - emisja akustyczna. Metody badań nieniszczących dzielimy na metody powierzchniowe i objętościowe: Badania wizualne (VT) podstawowa metoda do wykrywania wad powierzchniowych Metody Badania penetracyjne (PT) staliwo, żeliwo, stopy lekkie Badania magnetyczno-proszkowe (MT) materiały powierzchniowe i paramagnetyczne dia- Badania prądami wirowymi (ET) materiały przewodzące prąd elektryczny Metody Badania ultradźwiękowe (UT) objętościowe Badania radiologiczne (RT) W tabeli 1 i 2 przedstawiono krótką charakterystykę sześciu najczęściej stosowanych technik badań nieniszczących. 2

3 Tabela 1. Zakres zastosowań głównych metod badań nieniszczących metody badań powierzchniowych badań Badania wizualne penetracyjna prądów wirowych magnetyczna Zasada wykrywania Obserwacja okiem nieuzbrojonym, za pomocą lup oraz urządzeń do zdalnej obserwacji, endoskopów: boroskopów i fiberoskopów. Wnikanie cieczy penetrantów barwnych i fluoroscencyjnych do. Indukowanie prądów wirowych pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Pomiar składowych impedancji lub napięcia zespolonego. Magnesowanie obiektów stałym, przemiennym lub impulsowym polem magnetycznym. strumienia rozproszenia magnetycznego: proszki magnetyczne i przetworniki indukcyjnościowe. Zastosowania Ograniczenia Zalety Materiały badane na dostępnych i niedostępnych powierzchniach. powierzchniowych. Zautomatyzowane badania półproduktów i produktów gotowych podczas procesów wytwarzania, diagnostyka ręczna i zautomatyzowana w procesach eksploatacji. powierzchniowych i podpowierzchniowych w obiektach z materiałów ferromagnetycznych. jedynie powierzchniowych. Brak możliwości wykrywania zaciśniętych. tylko powierzchniowych otwartych. Powierzchnia badanych obiektów nie może być zbyt chropowata. Brak możliwości zastosowania do materiałów nieprzewodzących prądu elektrycznego. Brak możliwości zastosowania do badań metali nieferromagnetycznych i niemetali. Prostota i niski koszt badań wizualnych. Prostota i niski koszt prowadzenia badań. kontrolowania w jednej operacji obiektów o skomplikowanym kształcie. prowadzenia badań obiektów z duża prędkością. Prostota prowadzenia badań metodą magnetycznoproszkową. prowadzenia badań obiektów o czarnej powierzchni. Wszystkie materiały. Wszystkie metale i ich stopy, niemetale. Tylko materiały przewodzące prąd elektryczny: metale i ich stopy oraz niektóre kompozyty. Stale ferromagnetyczne, nikiel, kobalt. Rodzaje wykrywanych Wszelkie powierzchniowe, np. pęknięcia, wżery korozyjne. Pęknięcia produkcyjne i eksploatacyjne. powierzchniowych: pęknięć i podpowierzchniowych (do głębokości kilku milimetrów). Pomiary wymiarów, przewodności elektrycznej itd. powierzchniowych: pęknięć i podpowierzchniowych, np. pęcherzy pustek, wtrąceń niemetalicznych. 3

4 Tabela 2. Zakres zastosowań głównych metod badań nieniszczących metody badań objętościowych badań Zasada wykrywania Zastosowania Ograniczenia Zalety Materiały badane Rodzaje wykrywanych ultradźwiękowa radiologiczna Wprowadzanie fal ultradźwiękowych. Fale są odbijane poprzez, uginane i rozpraszane na krawędziach. Wprowadzanie promieniowania X lub γ. Otrzymanie obrazu w postaci cienia, w kierunku rozchodzenia się promieniowania. Rejestracja na błonach radiograficznych i rejestracja komputerowa., w zależności od rodzaju fal, wewnętrznych i powierzchniowych, pomiary grubości, wykrywanie braku przyczepności w połączeniach klejonych, połączenia nitowane, badanie właściwości materiałów (np. pomiar naprężeń własnych). wprowadzonych w procesach wytwarzania i podczas eksploatacji obiektów. Badania i diagnostyka złączy spawanych oraz odlewów. wykrywania korzystnie zorientowanych względem wiązki fal. Czułość badania ograniczona przy chropowatej powierzchni obiektów. wykrywania wewnętrznych i powierzchniowych zorientowanych względem kierunku rozchodzenia się promieniowania. Czułość wykrywania ograniczona do o wielkości ok. 0, 5-2% grubości obiektów. Ograniczona grubość obiektów. Niebezpieczeństwo narażenia personelu i środowiska na napromieniowanie. wykrywania o średnicy porównywalnej lub większej od długości fali. pomiaru grubości obiektów, przy dostępie jednostronnym. Wizualna ocena zobrazowań. Zobrazowania w widoku zgodnym z kierunkiem promieniowania na radiogramach. Wszystkie metale i ich stopy, niemetale (tworzywa sztuczne, ceramika, szkło, beton). Wszystkie metale i ich stopy, niemetale. Promieniowanie X i γ tym jest silniej tłumione, im większa jest gęstość materiału obiektów. płaskich oraz przestrzennych. Pęknięcia wewnętrzne i powierzchniowe, wtrącenia i pozostałości jamy usadowej, rozwarstwienia w obiektach walcowanych i ciągnionych, pęknięcia odkuwek, odlewów, niezgodności złącz spawanych. przestrzennych, pęcherzy, pozostałości jamy skurczowej, wtrąceń, brak przetopu, wykrywanie odlewów, pęcherzy, pęknięć skurczowych. Wykrywania i ocena zmian grubości obiektów i grubości powłok. 4

5 Podczas ćwiczeń laboratoryjnych zostanie wykorzystana między innymi technika badań ultradźwiękowych, która nieco szerzej została opisana poniżej. Badania ultradźwiękowe (UT) Badania ultradźwiękowe opierają się na zdolności rozprzestrzeniania się ultradźwięków w materiałach na duże odległości oraz zjawisku ich załamania, ugięcia i odbicia na granicy dwóch ośrodków. Falami ultradźwiękowymi nazywa się fale mechaniczno-sprężyste o częstotliwości powyżej 16 khz. Najczęściej stosowane fale ultradźwiękowe mają częstotliwość w zakresie 0,5-10 MHz. W defektoskopach przemysłowych do wytwarzania fal ultradźwiękowych wykorzystuje się zjawisko piezoelektryczności. Polega ono na tym, że płytka z materiału piezoelektrycznego, umieszczona w szybkozmiennym polu elektrycznym, na przemian kurczy się i rozszerza się z częstotliwością równą częstotliwości zmian pola, stając się źródłem fal ultradźwiękowych. Fale wprowadza się do badanego obiektu przez sondę i płyn (woda, gliceryna), które wywołują sprzężenie akustyczne. Urządzenia wykorzystywane do badań UT to defektoskopy. Ich zadaniem jest pobudzanie głowicy ultradźwiękowej oraz odbiór i zobrazowanie impulsów powracających do głowicy. Najczęściej stosuje się defektoskopy impulsowe analogowe lub impulsowe z przetwarzaniem cyfrowym. Ze względu na rodzaj użytych głowic wyróżnia się dwie metody badań: metoda echa i metoda przenikania. echa głowica nadawcza i odbiorcza lub nadawczo-odbiorcza znajdują się po tej samej stronie, co pozwala na przeprowadzenie badania nawet przy jednostronnym dostępie. ta umożliwia określenie głębokości, na jakiej znajduje się wada. Jednakże metoda ta nie pozwala na wykrywanie wad leżących blisko powierzchni (ze względu na pokrycie się impulsu wejściowego z impulsem od wady). a) materiał bez wady, b) z małą wadą, c) z dużą wadą 1-impuls wejścia fal z sondy nadawczej do przedmiotu, 2-impuls odbicia od dna z sondy odbiorczej, 3-dodatkowy impuls odbicia fal od wady Lokalizacja, to jest określenie odległości od powierzchni przesuwu głowicy, oraz pomiar grubości obiektów metodą ultradźwiękową są oparte na zależności: 5

6 l=(c*t)/2 l droga fal ultradźwiękowych, c prędkość danego rodzaju fali ultradźwiękowej, w określonym materiale, w m/s lub mm/ s t czas przejścia fali ultradźwiękowej, w s lub s. przenikania (cienia) obserwacja tłumienia energii fal ultradźwiękowych przechodzących przez przedmiot. Badanie wykonuje się dwoma głowicami umieszczonymi naprzeciwko siebie, a zatem niezbędny jest obustronny dostęp do obiektu. przenikania pozwala na przeprowadzenie badań na elementach o nierównych powierzchniach, ale nie umożliwia określenia położenia wady. a) materiał bez wady, b) z małą wadą, c) z dużą wadą 1-impuls wejścia fal z sondy nadawczej do przedmiotu, 2-impuls wyjścia fal z przedmiotu do sondy odbiorczej, Aktualnie rozwijane są również zautomatyzowane metody badań wykorzystujące m. in. dyfrakcję fal (metoda TOFD) czy technika Phased Array. LITERATURA: 1. A. Lewińska-Romicka, Badania nieniszczące. Podstawy defektoskopii., WNT Warszawa Ćwiczenia laboratoryjne z metaloznawstwa, Pod redakcją Zbigniewa Bojara, Warszawa 1996, WAT 6

7 ĆWICZENIE CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z najczęściej stosowanymi metodami badań nieniszczących stosowanymi w badaniu materiałów. PRZEBIEG ĆWICZENIA W trakcie ćwiczenia należy kolejno: 1. Zidentyfikować wady w rzeczywistych elementach. 2. Przeprowadzić badanie wskazanego przedmiotu metodą echa. 3. Przerysować z radiogramów obrazy badanych złączy, odczytać radiogram, opisać wykryte wady złączy. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ 1. Cel i zakres ćwiczenia. 2. Wykonać rysunek przedmiotu w skali, zaznaczyć na nim położenie i rodzaj wad wykrytych metodą wizualną oraz określić przypuszczalną przyczynę ich powstawania. 3. Wykonać rysunek przedmiotu w skali i zaznaczyć na nim położenie wad wykrytych metodą echa oraz określić na jakiej głębokości się znajdują. 4. Na podstawie wykonanych rysunków radiogramów dokonać oceny poprawności złączy badanych metodą rentgenowską. 7