Badania magnetyczno-proszkowe MT - jedna z najpopularniejszych metod NDT

Badania magnetyczno-proszkowe (MT) to jedna z podstawowych metod badań nieniszczących NDT, która polega na naniesieniu specjalnej zawiesiny lub proszku na obiekt, jego magnesowaniu, a następnie detekcji magnetycznego pola rozproszenia, występującego w miejscach występowania powierzchniowych i podpowierzchniowych (do ok. 3mm) nieciągłości materiałowych namagnesowanych obiektów. Metoda magnetyczno-proszkowa pozwala na wykrycie najbardziej niebezpiecznych powierzchniowych wad płaskich, wąskoszczelinowych w materiałach ferromagnetycznych [1,2].

 

 

Rys historyczny

 

Prace nad elektromagnetyzmem zapoczątkował duński fizyk Hans Christian Oersted (1777-1851), który odkrył, że przepływ prądu elektrycznego powoduje powstanie pola magnetycznego. W 1820 r. wykonał doświadczenie, pokazujące, że przy przepuszczeniu prądu przez przewodnik, igła kompasu odchyla się w kierunku prostopadłym do przepływu prądu.

W 1831 r. Michael Faraday i Joseph Henry odkryli zjawisko indukcji elektromagnetycznej, która jest jednym z kluczowych zjawisk fizycznych w badaniach magnetyczno-proszkowych.

W latach 1870 – 1880 angielski fizyk William E. Hooke opracował podstawy wykrywania wad obiektów poprzez detekcję magnetycznego pola rozproszenia, a w 1922 r. zaobserwował i opatentował koncentrowanie się szlifierskich opiłków twardej stali, przenoszonych w oleju chłodzącym, wzdłuż krawędzi pęknięć (w elementach mocowanych uchwytami magnetycznymi podczas  obróbki mechanicznej).

W 1929 roku A. V. De Forest i F. B. Done zastosowali magnesowanie  kołowe bezpośrednim przepływem prądu, a z założonej przez nich firmy w 1934 r. powstała jedna z najbardziej rozpoznawalnych firm w badaniach nieniszczących- Magnaflux Corporation (USA).

Rok 1930 uważany jest za początek przemysłowych zastosowań metody magnetyczno-proszkowej:

• T. R. Watts opracowuje pierwszą procedurę badania spoin,
• przemysł lotniczy wdraża metodę do badania piast śmigieł i następnie innych mocno obciążonych elementów.

Od lat czterdziestych XX wieku, zwiększenie produkcji broni, pojazdów, statków morskich i powietrznych, związany z II Wojną Światową, spowodowało wzrost zapotrzebowania na stosowanie metody magnetyczno-proszkowej. Zaczęto stosować magnesowanie obiektów poprzez przepływ prądu elektrycznego oraz zautomatyzowane dystrybutory proszków, ponadto wykorzystywano magnesowanie prądem stałym dla wykrywania podpowierzchniowych wad obiektów. Zaczęto również po raz pierwszy stosować układy prostowania prądu przemiennego.

Badania magnetyczno-proszkowe z wykorzystaniem preparatów fluorescencyjnych, ze względu na większą czułość wykrycia wady, zostały zastosowane przy budowie pierwszej bomby atomowej i pierwszej elektrowni atomowej w USA [1, 3, 4, 5, 6].  

 Joseph Henry i Michael Faraday - odkrywcy zjawiska indukcji elektromagnetycznej (https://simanaitissays.com/2014/05/09/toyota-linear-generator/).

 

Podstawy fizyczne

 

Pole magnetyczne

Jednym ze sposobów wytworzenia pola magnetycznego jest wykorzystanie poruszających się ładunków, czyli prądu elektrycznego. Pole magnetyczne jest definiowane przez siłę, jaka działa na poruszający się ładunek w tym polu, zwaną siłą Lorentza:

 gdzie:

•  – siła Lorentza
•  – ładunek elektryczny
•  – prędkość poruszającego się ładunku
•  – wektor indukcji magnetycznej

Pole magnetyczne jest opisywane głównie za pomocą trzech wielkości fizycznych – natężenia pola magnetycznego , indukcji magnetycznej  i przenikalności magnetycznej  , pomiędzy którymi zachodzi związek: 

Wartość indukcji magnetycznej, w układzie SI, wyraża się w Teslach [T], natomiast wartości natężenia pola magnetycznego najczęściej wyraża się poprzez [A/m].

Pole magnetyczne obrazowo przedstawiają linie sił pola magnetycznego, których kierunek jest zawsze prostopadły do kierunku przepływu prądu elektrycznego (linii pola elektrycznego) [7,8,9].

 

Pole magnetyczne wytworzone przez przewodnik z prądem

Jak wcześniej wspomniano, pole magnetyczne może być wywołane przepływem prądu elektrycznego przez przewodnik. W takim wypadku kierunek działania pola magnetycznego (linii sił pola) może być wyznaczony za pomocą reguły prawej dłoni [7].

 

Reguła prawej dłoni do wyznaczania linii sił pola magnetycznego (https://eszkola.pl/fizyka/pole-magnetyczne-wokol-przewodnika-z-pradem-3973.html).

 

W badaniach nieniszczących bardzo często wykorzystuje się technikę magnesowania za pomocą kabla lub poprzez wykorzystanie cewki. Wartość natężenia pola magnetycznego dla różnych układów przewodników będzie wynosić:

• dla przewodu liniowego o przekroju kołowym:

 

• dla cewki o przekroju kołowym (w jej środku):

 

• dla cewki o przekroju kołowym, przy założeniu, że  :

 

gdzie:

•  – natężenie prądu [A],
•  – odległość od przewodnika prostoliniowego lub promień cewki [m],
•  – ilość zwojów cewki,
•  – długość cewki [7,8].

 

Przenikalność magnetyczna

Indukcja magnetyczna jest ściśle związana z natężeniem pola magnetycznego za pomocą przenikalności magnetycznej bezwzględnej, którą wyraża się w jednostkach  [7]. Przenikalność magnetyczna jest wielkością, która określa zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej przy zmianie natężenia pola magnetycznego [10].

Przenikalność magnetyczna bezwzględna, w środowiskach magnetycznie nieobojętnych, przyjmuje wartości zależne od rodzaju tego środowiska i jest opisana za pomocą wzoru:

 

gdzie:

•  – to przenikalność magnetyczna w próżni,
•  – to przenikalność magnetyczna względna.

Przenikalność magnetyczna w próżni jest stałą charakterystyczną dla środowiska w próżni i przyjmuje wartość:

 

Przenikalność magnetyczna względna jest wielkością bezwymiarową i określa ilościowo jak materiał (ośrodek) wpływa na wielkość indukcji magnetycznej (gęstości pola magnetycznego).

Ogólnie rzecz ujmując, dla poniższych materiałów (ośrodków), przenikalność magnetyczna względna przyjmuje wartości:

• w próżni: 
• materiały nieferromagnetyczne: 
• materiały ferromagnetyczne:   [8]

 

Ferromagnetyzm

Badania magnetyczno-proszkowe mogą być zastosowane do materiałów, które odznaczają się ferromagnetyzmem.

Ferromagnetyzm to zjawisko, w którym materiał wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań w życiu codziennym [11]. Żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, dysproz oraz niektóre stopy zawierające te pierwiastki, między innymi stal węglowa, nazywane są ferromagnetykami [8].

Za silny wzrost indukcji magnetycznej w materiałach ferromagnetycznych odpowiada uporządkowanie elementarnych obszarów, które są nazywane domenami magnetycznymi (Weiss’a). Każdy taki obszar składa się z tzw. dipoli magnetycznych, które są całkowicie uporządkowane. Oznacza to, że jedna domena magnetyczna wykazuje namagnesowanie w jednym określonym kierunku.

W stanie równowagi domeny magnetyczne w ferromagnetykach ułożone są spontanicznie, wskutek czego ich wypadkowe zewnętrzne pole magnetyczne jest równe zeru (mówimy, że materiał jest rozmagnesowany).

Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego następują dwa zjawiska. Domeny zorientowane wzdłuż zewnętrznego pola magnetycznego będą się rozrastać kosztem domen zorientowanych w innych kierunkach. Drugim zjawiskiem będzie zmiana ustawienia dipoli wewnątrz domeny, tak, aby ich kierunek odpowiadał kierunkowi wektora zewnętrznego pola magnetycznego [7,8].

Efektem tego oddziaływania jest uporządkowanie i zorientowanie domen magnetycznych w jednym kierunku, zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym (mówimy, że materiał jest namagnesowany), co wywołuje powstanie w materiale własnego pola magnetycznego [11].

Zachowanie się ferromagnetyków w zewnętrznym polu magnetycznym opisują charakterystyczne dla każdego materiału pętle histerezy, które są wykresami zależności indukcji magnetycznej od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego –  .  

Bardzo ważną wielkością charakterystyczną dla każdego ferromagnetyka jest Temperatura Curie. Jest to wartość temperatury, powyżej której materiały tracą swoje właściwości magnetyczne. Dla większości stopów żelaza, Temperatura Curie przybiera wartości w zakresie 730 st.C do 770 st.C [8].

Pętla histerezy dla materiału ferromagnetycznego oraz zmiana kierunków namagnesowania domen magnetycznych wraz ze zmianą wartości i kierunku natężenia pola magnetycznego (https://www.reddit.com/r/Elements/comments/l1ut9/magnetism_and_magnets_part_4_hysteresis/).

 

 

Przebieg badań

 

Do przeprowadzenia badań magnetycznych niezbędne są:

• defektoskop magnetyczny, np. elektromagnes jarzmowy,
• zawiesina magnetyczna z cząsteczkami ferromagnetycznymi lub proszek magnetyczny,
• biały lakier kontrastowy, jeśli badania są przeprowadzane w technice barwnej.

 

Podstawowy zestaw do badań MT - elektromagnes jarzmowy YOKE (z lewej) oraz preparaty do badań.

 

Po rozpoczęciu magnesowania, na odpowiednio przygotowaną powierzchnię obiektu (oczyszczoną, odtłuszczoną, ewentualnie z nałożonym lakierem kontrastowym), nanoszona jest zawiesina magnetyczna lub proszek magnetyczny. Jeśli przepływający przez materiał strumień magnetyczny napotka na miejsce o zwiększonej reluktancji (oporności) magnetycznej, na przykład pęknięcie, to część linii sił pola będzie starało się okrążyć napotkaną przeszkodę i wyjdzie na zewnątrz obiektu- efekt ten określany jest jako magnetyczne pole rozproszenia, którego wielkość będzie zależeć od indukcji magnetycznej przed nieciągłością materiału i geometrii tej nieciągłości. Pole rozproszenia wychodzące na powierzchnię będzie przyciągało ferromagnetyczne cząsteczki znajdujące się w proszku lub zawiesinie, tworząc wyraźne wskazanie nad wadą. Najlepiej widoczne są wąskie nieciągłości, ustawione prostopadle do kierunku przepływu strumienia magnetycznego [1,8].   

 

 

Techniki badania

 

Zgodnie z normą PN-EN ISO 9934-1 techniki badań magnetyczno-proszkowych można podzielić na trzy podstawowe rodzaje.

 

1.Techniki magnesowania dzielą się na:

• technikę przepływu prądowego,
• technikę przepływu magnetycznego,
• techniki wielokierunkowe (kombinowane).

 

2. Techniki obserwacji, w których skład wchodzą:

• technika barwna (niefulorescencyjna)- obserwacja w świetle białym,
• technika fluorescencyjna- obserwacja w świetle UV-A.

 

3. Techniki wykrywania dzielą się na:

• technikę suchą- stosuje się specjalny proszek z cząsteczkami ferromagnetycznymi,
• technikę mokrą- proszek magnetyczny zawieszony jest w cieczy, najczęściej w nafcie, wodzie lub oleju [1,8,12].

 

 Porównanie techniki barwnej / niefluorescencyjnej (z lewej) oraz fluorescencyjnej (z prawej).

 

 

Rodzaje magnesowania

 

W badaniach magnetyczno-proszkowych stosuje się magnesowanie stałym i zmiennym polem magnetycznym.

 

Stałe pole magnetyczne  

Stałe pole magnetyczne może być uzyskane przez zastosowanie magnesów trwałych, zastosowanie prądu stałego lub wyprostowanego pełnookresowego (FWDC).

Magnesowanie obiektu stałym polem magnetycznym powoduje przepływ strumienia magnetycznego w całej objętości materiału, zgodnie z prawem przepływu magnetycznego. W przypadku skomplikowanych obiektów (np. wału z odsadzeniem), istnieje możliwość niedostatecznego namagnesowania obszarów o ostrym przejściu, natomiast lepiej uwidocznione są wady podpowierzchniowe [8].

 

Zmienne pole magnetyczne

Zmienne pole magnetyczne uzyskuje się stosując prąd przemienny, który, w zależności od rodzaju obiektu i zastosowania, może być prostowany połówkowo (HWDC), impulsowy lub udarowy.

Magnesowanie obiektu zmiennym polem powoduje przepływ strumienia magnetycznego tylko w warstwie powierzchniowej o grubości ok. 2 mm. Efekt ten nazywany jest zjawiskiem naskórkowości. Głębokość wnikania strumienia magnetycznego zależy od częstotliwości prądu magnesowania oraz przenikalności magnetycznej i przewodności elektrycznej materiału. Zmienne pole magnetyczne lepiej od pola stałego magnesuje powierzchnie o złożonym kształcie, dlatego idealnie nadaje się do badania np. krawędzie kęsów hutniczych czy gwinty, natomiast nieciągłości leżące ok. 0,5 mm pod powierzchnią nie będą skutecznie wykrywane [8].

 

Wyposażenie badawcze

Wyposażenie do badań magnetyczno-proszkowych jest bardzo różnorodne i zależy przede wszystkim od rodzaju i geometrii badanego obiektu oraz od spodziewanych, charakterystycznych nieciągłości dla danego elementu, które determinują kierunek magnesowania.

Najbardziej charakterystycznymi defektoskopami, ze względu na techniki magnesowania, są:

• w technice przepływu prądowego najczęściej stosuje się tzw. stacjonarne lub przenośne defektoskopy prądowe, które „zasilają” kable, cewki lub specjalne elektrody;
• w technice przepływu magnetycznego najczęściej wykorzystuje się przenośny elektromagnes jarzmowy (tzw. YOKE) lub magnes trwały;
• w technikach wielokierunkowych (kombinowanych) najczęściej stosuje się stacjonarne ławy magnetyczne, które umożliwiają magnesowanie w wielu kierunkach bez zmiany położenia elementu. Tego typu urządzenia najczęściej wykorzystuje się w produkcji i są dedykowane do określonego detalu [1, 8, 12].

 

 Badanie MT odkuwek- magnesowanie wielokierunkowe (ława magnetyczna), technika fluorescencyjna, obserwacja w świetle UV-A (https://www.magnaflux.com/Magnaflux/Blog/New-Magnetic-Particle-Wet-Bench ). 

 

 

Wykaz najważniejszych norm ISO

 

• PN-EN ISO 12707:2016-07 -- Badania nieniszczące -- Badania magnetyczne proszkowe -- Terminologia.
• PN-EN ISO 3059:2013-06 -- Badania nieniszczące -- Badania penetracyjne i badania magnetyczno-proszkowe -- Warunki Obserwacji.
• PN-EN ISO 9934-1:2017-02 -- Badania nieniszczące -- Badania magnetyczne proszkowe -- Zasady ogólne.
• PN-EN ISO 9934-2:2015-11 -- Badania nieniszczące -- Badania magnetyczne proszkowe -- Środki wykrywające.
• PN-EN ISO 9934-3:2015-11 -- Badania nieniszczące -- Badania magnetyczne proszkowe -- Aparatura.
• PN-EN ISO 23278:2015-05 -- Badania nieniszczące spoin -- Badania magnetyczno-proszkowe -- Poziomy akceptacji.

 

 

Źródła

 

1.  „Badania magnetyczne – Podręcznik”, Tom 1; A. Lewińska-Romicka; Wyd 1; Warszawa, 1998r.; ISBN: 83-87848-02-6.
2. http://www.koli.com.pl/uslugi,2,pl.html 
3. „Badania nieniszczące – Kurs UTT – Wprowadzenie”; Materiał szkoleniowy wg. EN ISO 9712 / EN 14127; Koli Sp. z o.o., www.koli.eu
4. https://pl.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_%C3%98rsted 
5. https://pl.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday 
6. „Badania magnetyczno-proszkowe – Szkolenie 1+2 – Wprowadzenie”; Materiał szkoleniowy wg. EN ISO 9712; Koli Sp. z o.o., www.koli.eu
7. „Podstawy Fizyki” – Tom 3; D. Halliday, R. Resnick, J. Walker; Wyd. PWN; Warszawa 2005 r.; ISBN: 83-01-14076-3
8. „Badania nieniszczące – Badania magnetyczno-proszkowe (MT) materiałów” – Materiały szkoleniowe na kurs 1 i 2 stopnia; Koli sp. z o.o.; http://www.koli.eu/ 
9. https://pl.wikipedia.org/wiki/Pole_magnetyczne 
10. https://pl.wikipedia.org/wiki/Przenikalność_magnetyczna 
11. https://pl.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetyzm 
12. PN-EN ISO 9934-1:2017-02 – „Badania nieniszczące -- Badania magnetyczne proszkowe -- Część 1: Zasady ogólne”; Polski Komitet Normalizacyjny; Data publikacji: 2017-02-14; ISBN: 978-83-275-7380-3