Испытания без разрушения - Мак-Гоннейгль У.

Автор: Мак-Гоннейгль У.
Теги: физика математическая физика машиностроение переводная литература компьютерное моделирование
Год: 1965
Похожие
Испытания высокопрочных материалов на вязкость разрушения при плоской деформации
Испытания свободнопоршневых генераторов газа
Испытания воздушно-реактивных двигателей
Автомобили: Испытания
Текст
                    

NONDESTRUCTIVE TESTING
WARREN J. McGONNAGLE
Associate Physicist
Group Leader, Nondestructive Testing
Argonne National Laboratory
McGRAW-HILL BOOK COMPANY, INC.
New York Toronto London
1961
ИСПЫТАНИЯ
БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ
У. МАК-ТОННЕ Й Г Л Ь
Перевод с английского
инж. А. Я. ГАЛКИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ:
Москва 1965
#ЙК 620.1^
м
В книге изложены современные методы испытаний материа-
лов и изделий без доведения их до разрушения (адеструктив-
ные испытания). Работа охватывает широкий круг вопросов,
связанных с этой отраслью прикладной науки, и представляет
систематизацию большого количества данных, накопленных в
различных областях техники. В книге рассмотрены испытание
резервуаров и труб' под давлением; проверка герметичности
резервуаров и сварных соединений при помощи течеискателей;
испытания с применением проникающих жидкостей; термиче-
ские, динамические, рентгено- и гаммаграфические, ультразву-
ковые, магнитные и электрические методы испытаний.
Приведены физические принципы, на которых основаны ме-
тоды неразрушающих испытаний и рассмотрено техническое
оборудование. Большинство приборов, описанных в книге, ос-
новано на новейших достижениях электроники, радиометриче-
ской и термометрической техники.
Книга предназначена для инженеров и техников машино-
строительной и энергетической промышленности, а также ра-
ботников лабораторий и студентов.
#	I’t »	<	-	I ’ f
5	' ’ ’	'	. г (
Редактор д-р техн, наук проф. И. С. Федоров

ПРЕДИСЛОВИЕ
Быстрое расширение сферы применения методов неразруша-
ющих испытаний за последние несколько лет объясняется ра-
стущими требованиями к качеству изделий. С каждым днем к
материалам предъявляются новые требования, обусловленные
применением материалов в таких рабочих условиях, с которыми
ранее никогда не приходилось сталкиваться. Чтобы обеспечить
дальнейший технический прогресс, в соответствии с еще более
сложными задачами ближайшего будущего, методы неразруша-
ющих испытаний должны и будут использоваться более широко.
Необходимость применения этих методов будет непрерывно воз-
растать. Стремление к более полному решению задач, постав-
ленных перед этой областью технологии, должно сопровождать-
ся не только расширением сферы использования неразрушаю-
щих испытаний, но и улучшением методов исследования.
Неразрушающие испытания представляют собой отрасль зна-
ний, развивающуюся в условиях быстрого технического прогрес-
са; следовательно, основное внимание при проведении таких ис-
пытаний должно быть направлено на усовершенствование
физических измерений с целью получения не только качествен-
ных, но и количественных данных.
Понятие «неразрушающие испытания» часто связывают лишь
с задачей обнаружения дефектов. В действительности, методы
и технология, используемые при проведении неразрушающих ис-
пытаний, дают возможность определить физические свойства ма-
териалов и их изменения. Степень отклонения физических свойств
материала от принятых норм определяет пригодность или не-
пригодность его в зависимости от конкретных условий приме-
нения. Методы и технология неразрушающих испытаний могут
быть использованы для установления отклонений качеств ма-
териала, которые могут быть допущены в том или ином случае.
5.
I ЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Цель этой книги — ознакомить читателей с основными прин-
ципами испытаний без разрушения, характером результатов, ко-
торых следует ожидать при проведении таких испытаний, и ти-
пичными случаями применения.
Термин «испытания без разрушения» используется здесь в ка-
честве собирательного названия для всех методов, позволяющих
испытывать или контролировать материал без ущерба для его
последующего использования. Цель испытаний без разрушения
заключается в том, чтобы определить, будет ли материал или
деталь удовлетворительно работать при заданных условиях.
Использование неразрушающих методов контроля дает воз-
можность уменьшить «коэффициент незнания» при оценке мате-
риала, не снижая при этом коэффициента надежности готового
изделия. Абсолютно совершенного и надежного промышленного
материала не существует. Любое правильно проведенное испы-
тание без разрушения поможет выяснить, находится ли относи-
тельная прочность изделия в определенных пределах.
Методы испытаний. При проведении испытаний без разруше-
ния может быть использован почти любой вид энергии. Также
почти каждое свойство материала составляет основу для какого-
либо метода или способа неразрушающих испытаний. В данной
книге все методы подразделены на следующие десять групп:
визуальный контроль;
испытание давлением и контроль с помощью течеискателей;
испытание с помощью проникающих жидкостей;
термические испытания;
радиография (рентгенографирование и гаммаграфирование);
акустические испытания (звуковые и ультразвуковые);
магнитные испытания;
электрические и электростатические испытания;
контроль с помощью электромагнитной индукции;
прочие методы контроля.
При визуальном методе изделие в процессе контроля обычно
подсвечивают световыми лучами видимой области спектра. Из-
делие затем исследуют визуально, вооруженным или невоору-
6
женным глазом, либо с помощью светочувствительных приборов
(фотоэлементов). Визуальное исследование иногда не причис-
ляют к методам испытаний без разрушения. Однако, по мнению
автора, визуальный контроль является не только наиболее ста-
рым и наиболее простым методом; в некоторых случаях он поз-
воляет выявить такие дефекты, которые трудно обнаружить
другими методами испытаний.
Испытания давлением и контроль с помощью течеискателей
характеризуются проникновением жидкости или газа через де-
фектную зону.
Контроль по методу проникающих жидкостей можно ис-
пользовать лишь для обнаружения дефектов, имеющих выход на
поверхность изделия. Жидкость малой вязкости, обладающая не-
большим поверхностным натяжением, проникает в дефектное
место под действием капиллярных сил и затем частично удаля-
ется из полости дефектного места, впитываясь особым вещест-
вом — проявителем.
При термических испытаниях изделие нагревают, и результи-
рующее распределение температур определяют с помощью тер-
мочувствительных химических веществ, фосфоров, термопар, тер-
мометров и инфракрасных детекторов.
В радиографии используется проникающее излучение: рент-
геновские и гамма-лучи. Изменение интенсивности лучей, про-
шедших через изделие, зависит от изменения его толщины и
плотности. Это изменение можно зарегистрировать многими спо-
собами: с помощью фотопленки, полупроводников, фотопровод-
ников и сцинтилляционных кристаллов.
При акустических испытаниях используется энергия звуковых
колебаний слышимой области и колебаний, лежащих за преде-
лами человеческого слуха, — ультразвуковых.
В магнитных испытаниях изделие намагничивают; наличие
дефектов вызывает искажение магнитного поля, измеряемое са-
мыми различными методами. При этом наиболее часто исполь-
зуют магнитные частицы, такие, как окись железа.
Электрические методы испытаний без разрушения основы-
ваются на измерении электрического сопротивления. В электро-
статическом методе регистрируются искажения статического
электрического поля с помощью заряженных частиц.
Электромагнитные методы контроля используют явление
электромагнитной индукции. Когда обмотка, по которой про-
текает переменный ток, подносится к проводнику, в нем наводят-
ся вихревые токи, которые вызывают возникновение магнитного
поля. Физические, химические и другие отклонения от однород-
ной структуры изменяют внутреннее сопротивление изделия
и влияют на распределение и величину наведенных вихревых
токов, а следовательно, и на характер наведенного магнитного
поля. Эти изменения наведенного магнитного поля можно обна-
ружить по их влиянию на первичную обмотку или на обмотку
пробной катушки, помещенной в непосредственной близости от
изделия.
Кроме описанных методов, при испытаниях применяются
также травление, проба на искру, спектрохимический анализ,
анализ состояния поверхности изделия, лаковые покрытия для
определения деформаций и напряжений и др.
Проведение испытаний. Основными операциями любого испы-
тания без разрушения являются: 1) помещение изделия в конт-
ролирующую среду; 2) изменение характеристик контролирую-
щей среды под влиянием дефектов или отклонений структуры
или свойств материала от нормального состояния; 3) обнаруже-
ние этих изменений с помощью соответствующего детектора,
4) преобразование этих изменений с целью придать им форму,
удобную для расшифровки; 5) расшифровка полученной инфор-
мации. В некоторых случаях может появиться необходимость
в шестой операции — убедить поставщика, изготовителя или
инженера, что расшифровка результатов испытаний произведена
правильно. Расшифровка, или интерпретация, результатов —
это наиболее важный этап в проведении испытаний.
Большинство испытаний без разрушения основано на косвен-
ных измерениях. Результатами испытаний могут быть, напри-
мер, изменение показаний регистрирующего прибора, отклонение
кривой, вычерчиваемой самописцем, темные или светлые обла-
сти на рентгеновской пленке, появление всплесков на осцилло-
грамме или изменение ее вида, изменение цвета химического
вещества или фосфора. Следовательно, крайне существенно,
чтобы расшифровка результатов производилась квалифициро-
ванным лицом. Лицо, интерпретирующее результаты испытаний,
иногда определяет успех или неудачу при использовании того
или иного метода контроля.
Проверка результатов испытаний. При разработке техники
проведения испытаний без разрушения необходимым условием
является выполнение разрушающих испытаний для проверки
полученных результатов. В процессе проведения испытаний по
отработанной методике необходимы периодические (промежуточ-
ные) разрушающие испытания для того, чтобы удостовериться
в правильном функционировании испытательного и прочего
оборудования. Следует указать, что при визуальном исследо-
вании, проведенном в процессе разрушающих испытаний либо
по их результатам, может быть получена особо ценная инфор-
мация.
Настолько же важно регулярно проверять операторов-
контролеров, особенно если используется визуальный метод
определения дефектов.
Специфика использования испытаний без разрушения в об-
ласти ядерной энергетики. В области ядерной энергетики при-
менению испытаний без разрушения придается большое значе-
ние. Неразрушающий контроль тепловыделяющих элементов
8
гетерогенных реакторов и компонентов реакторного контура,
таких как трубы теплообменников, отличается от обычных
промышленных методов контроля без разрушения значи-
тельно более жесткими требованиями в отношении надеж-
ности.
Чувствительность и разрешающая способность, .требуемые
при проведении этих испытаний, превышают те величины, кото-
рые могут быть оправданы в большинстве других случаев при-
менения того или иного метода контроля. Последствия повреж-
дения тепловыделяющих элементов в гетерогенных реакторах
или утечек из любой системы охлаждения реактора достаточно
велики, чтобы оправдать относительно высокие затраты време-
ни, денег и труда при проведении неразрушающих испытаний.
Применение испытаний без разрушения намного снижает
вероятность выхода из строя компонентов ядерных энергоуста-
новок различных типов в процессе их эксплуатации. Разрабо-
танные в этой области методы испытаний и техника их проведе-
ния находят применение во многих других отраслях промыш-
ленности.	,
Радиографические методы, используемые в ядерной энерге-
тике, в основном включают только применение промышленной
радиографии повышенной чувствительности для контроля раз-
личных материалов. В промышленных нормах на контроль ма-
териалов, как правило, за основу принимается размер дефекта,
который может быть выявлен радиографическим методом. Эти
нормы разработаны на основании результатов соответствующих
разрушающих испытаний, рабочих характеристик материалов
и прочностных расчетов. Однако для ядерных материалов еще
не существует общепринятых промышленных норм вследствие
отсутствия опыта эксплуатации компонентов реакторов и недо-
статочного опыта разработки новых реакторных материалов.
Кроме того, цели контроля в ядерной энергетике и в других
отраслях промышленности различны. В металлообрабатывающей
промышленности радиография используется главным образом
для того, чтобы выявить внутренние дефекты, отрицательно
влияющие на прочность контролируемого изделия. В ядерной
технике, кроме выполнения этой задачи, радиография применяет-
ся для выявления таких условий, которые повлияли бы на ход
ядерных реакций, процессы теплопередачи и коррозии. Выпол-
нение этих задач несовместимо с нормами, основанными на
определении процентного изменения толщины, и требует привле-
чения более тонких методов радиографического контроля. Выяв-
ление этих условий часто принимается за основу при составле-
нии норм контроля.
Преимущества испытаний без разрушения. Преимущества,
которые достигаются при внедрении испытаний без разрушения
в промышленность, могут быть условно разделены на че-
тыре категории: повышение производительности, увеличение
9
надежности, безопасность, возможность идентификации (распо-
знавания) материалов.
1.	Повышение производительности и рентабельности.
Экономия материалов: снижение количества отходов,
более рациональное использование сырьевого материала.
Экономия рабочей силы.
Экономия рабочего времени.
Предотвращение отклонения качества изделия от стандар-
та; повышение качества выпускаемых изделий, снижение
брака.
Снижение расходов на обслуживание.
Снижение эксплуатационных расходов и производственных
затрат.
Осуществление контроля за производственными процесса-
ми, возможность выяснения причин неисправностей и
принятия мер по их устранению.
Выяснение возможности использования некоторой доли
дефектных материалов.
Возможность получения данных для инженерного проек-
। тирования.
Более эффективное использование оборудования.
Возможность выявления неприемлемого материала.
Правильное проведение процессов химической, термиче-
ской и прочих методов обработки изделий.
2.	Увеличение надежности.
Обнаружение зон концентрации местных механических
напряжений.
Определение местонахождения усталостных пороков.
Предотвращение неправильного функционирования ответ-
ственного оборудования.
Исключение поломки оборудования.
3.	Безопасность.
Предотвращение аварий.
Предотвращение тяжелых травматических случаев.
Предотвращение потери оборудования.
4.	Идентификация (распознавание).
' Сортировка.
Выявление различия в химическом составе.
Выявление различия в термообработке.
Выявление различия в физических свойствах.
Выявление различия в металлургических свойствах.
Испытания без разрушения позволяют обнаруживать дефект-
ные материалы, в результате чего исключаются потери сырья»
рабочей силы и рабочего времени, увеличивают производитель-
ность, что, в свою очередь, приводит к определенному экономи-
ческому выигрышу. Испытания без разрушения можно исполь-
зовать в качестве вспомогательного средства при разработке
10
новой технологии производства и изготовления материалов. Про-
филактический контроль дает возможность определить, в со-
стоянии ли та или иная деталь удовлетворительно выполнять
свои функции; расходы на такой контроль полностью окупаются
гарантированной надежностью производства, меньшим количе-
ством ремонтных работ, уменьшением числа аварий и сниже-
нием общих эксплуатационных расходов.
Применение неразрушающих методов контроля увеличивает
также надежность выпускаемых изделий и материалов. В об-
ласти обеспечения безопасности правильное использование нераз-
рушающих испытаний поможет исключить аварии, потери мате-
риальных ценностей и ответственного оборудования. С помощью
испытаний без разрушения также можно распознавать мате-
риалы, отличающиеся металлургическими, физическими и хи-
мическими свойствами. Установление взаимосвязи различного
рода дефектов с их влиянием на надежность детали или компо-
нента конструкции еще не исследовано в той мере, как этого за-
служивает данная проблема, хотя некоторая работа в этом на-
правлении уже проделана.
Виды дефектов. Дефекты, обнаружение которых является
целью испытаний без разрушения, могут быть разбиты на три
группы:
1)	первичные дефекты, возникшие в процессе первичного
производства базового или сырьевого материала.
2)	дефекты обработки, возникшие в процессе обработки ма-
териала или детали.
3)	эксплуатационные дефекты, возникшие в процессе работы
материала или детали.
Назовем некоторые виды дефектов или структурных измене-
ний, которые входят в эти три группы: трещины, поверхностные
и внутренние, происхождение которых крайне разнообразно;
пористость; разрывы; дефекты механической обработки, прокатки
и плакирования; расслоения; отсутствие должного сцепления; по-
сторонние включения; непровары в сварных швах; усадочные
раковины; усталостные дефекты; волосовины; газовые раковины,
флокены; питтинги. Кроме этих дефектов, могут также иметься
различия в размерах зерен металлов, различия в термообработ-
ке и изменения в химическом составе.
Большое число дефектов имеет специфическое значение при
проектировании, создании и эксплуатации ядерных реакторов и
вообще в области ядерной энергетики. Среди них наиболее рас-
пространенными являются следующие: отсутствие сцепления
между оболочкой и топливным веществом; трещины и отверстия
в оболочке; пористость, усадочные раковины, трещины в топлив-
ном материале; пористость, включения и непровары в сварных
швах. При проектировании, изготовлении и эксплуатации реак-
торов особое значение имеют металлургические свойства, такие
как размер и ориентация зерен, качество термообработки,
химические свойства, например колебания в содержании угле-
рода, а также некоторые физические свойства. Многие из этих
свойств или их изменение могут быть проконтролированы с по-
мощью неразрушающих испытаний.
Следует помнить, что все промышленные материалы не сво-
бодны в полной мере от некоторых распространенных дефектов
и не характеризуются абсолютной однородностью даже при наи-
лучших условиях изготовления. Степень чистоты и отсутствие
поверхностных и внутренних дефектов являются понятиями су-
губо относительными вследствие того, что современные процессы
выплавки металла из руд и последующая механическая и тер-
мическая обработка несовершенны. Требуемое качество мате-
риала зависит от его назначения; например, очевидно, что ка-
чество стали, предназначенной для изготовления режущего
инструмента или высокооборотных деталей машин, должно быть
выше, чем качество конструкционной стали. Точное знание дей-
ствительных условий работы всегда должно служить руковод-
ством при назначении качества материала. Для того чтобы
провести грань между допустимыми отклонениями от нормы
и такими отклонениями, которые нежелательны в тех или иных
условиях работы, следует прежде всего обратиться к существую-
щим стандартам.
ГЛАВА 2
ВИЗУАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ
Визуальный контроль является наиболее широко распро-
страненным методом неразрушающих исследований. Этот метод
прост, требует малой затраты времени и, как правило, сравни-
тельно недорог. Именно вследствие простоты визуальным иссле-
дованием никогда не следует пренебрегать; даже в тех случаях,
когда изделие контролируется с помощью других методов нераз-
рушающих испытаний, разумно предварительно провести тща-
тельное визуальное исследование; например, в результате ви-
зуального исследования сварного шва опытный контролер может
обнаружить трещины, поверхностную пористость, незаполненные
кратеры, определить ориентацию и расположение трещин отно-
сительно зон шва, выявить контур шва и вероятную ориентацию
граничной поверхности между наваренным металлом и прилега-
ющим основным металлом.
Другие исследования помогают выявить величину прожогов,
наличие или отсутствие окисных пленочных включений под по-
верхностью шва и потенциальные источники механических ос-
лаблений, такие как сильный подрез и смещение. Кроме того,
результаты визуального исследования можно использовать как
руководящие данные при проведении других испытаний; напри-
мер, визуальное исследование валика шва может помочь при
решении вопроса об угле падения пучка рентгеновских лучей
в случае выявления невидимых с поверхности трещин.
Как и для всех других методов, успех и полезность визуаль-
ного способа контроля во многом определяются выбором соот-
ветствующей методики исследования и правильностью расшиф-
ровки результатов.
Изделие исследуется визуально или с помощью светочувст-
вительных приборов, таких как фотоэлементы или фотосопро-
тивления, причем основным условием является достаточная
освещенность контролируемого изделия. Оборудование для ви-
зуального исследования крайне несложно. Поверхность изделия
перед исследованием должна быть тщательно очищена; иногда
для подготовки поверхности к исследованию может понадобиться
13
пескоструйная или дробеструйная обработка. Подготовка по-
верхности особенно важна в том случае, когда исследуются про-
катанные толстые плиты, так как окалина на их поверхности
часто скрывает такие дефекты, как изъязвления, шероховато-
сти и поверхностные складки.
Внешний осмотр без специальных приспособлений. Как реги*
стрирующий прибор глаз является заведомо неточным инстру-
ментом исследования. Острота зрения — это переменная
величина даже для отдельного человека, не говоря уже о том,
что для большого числа лиц эта характеристика изменяется в
еще больших пределах. Глаз особенно ненадежен в тех случаях,
когда требуется выявить изменение интенсивности света. Отно-
сительная яркость двух источников света может быть оценена
только приблизительно, и даже такая приблизительная оценка
возможна только тогда, когда источники света имеют один
и тот же порядок яркости.
Минимальный размер дефекта, который может быть обна-
ружен при визуальном контроле, зависит от характера иссле-
дуемой поверхности, уровня яркости и контраста яркостей между
изделием и фоном.
Чувствительность человеческого глаза меняется в широких
пределах в зависимости от длины волны воспринимаемого све-
та. В обычных условиях глаз наиболее чувствителен к желто-
о
зеленому свету с длиной волны 5560 А. Человеческий глаз
удовлетворительно работает в широком диапазоне условий,
и именно по этой причине при зрительном восприятии трудно
судить о разности яркостей или интенсивностей.
Время, в течение которого контролеру разрешается работать,
следует ограничивать, чтобы избежать ошибок, обусловленных
утомлением глаза.
Важно, чтобы количество света, достигающего глаз, было
достаточным для наилучшей различимости дефектов. Для этого
должно быть установлено соотношение между остротой зрения
и воспринимаемой яркостью. Согласно надежным эксперимен-
тальным данным, отношение наименьшей воспринимаемой
разности яркостей к яркости, при которой это отношение изме-
ряется, есть величина примерно постоянная в широком диапа-
зоне яркостей. Этот диапазон составляет приблизительно от 1
до 100 000 cefM2 и соответствует приблизительно диапазону от
обычного внутреннего освещения до яркого дневного света.
С другой стороны, острота зрения изменяется крайне резко
в нижней и средней части этого диапазона.
Оптические вспомогательные приборы. Ограниченность остро-
ты человеческого глаза компенсируется применением вспомога-
тельных оптических устройств, таких как зеркала, линзы, микро-
скопы, перископы и телескопы. Увеличивающие проекторы и
компараторы позволяют улучшить условия наблюдения для
ускоренного контроля небольших точных деталей. Внутренние
14
поверхности полых труб, камер и других деталей контролируют
с помощью трубоскопов. Фотоэлектрические и другие свето-
чувствительные системы часто могут быть использованы для
того, чтобы заменить непосредственный визуальный контроль
и компенсировать ошибки, обусловленные утомлением опера-
тора.
Одним из наиболее простых способов контроля недоступных
или скрытых поверхностей является осмотр их с помощью
больших зеркал. Зеркала имеют то преимущество, что лишь
часть зеркала используется для обозрения данной точки объек-
та, так как конус лучей ограничен зрачком глаза. Если, однако,
используется вспомогательный прибор, такой как телескоп, то
входным отверстием является не зрачок глаза, а значительно
больший по площади объектив телескопа. Все зеркальные по-
верхности должны быть совершенно плоскими, так как лишь
при этом условии обеспечивается хорошая четкость изображения.
Зеркала должны быть чистыми и свободными от пыли. Если
используется нечетное число зеркал, то изображение будет
«зеркальным» по отношению к реальной картине. Отражатель-
ная способность одного зеркала составляет к концу срока служ-
бы примерно 75% первоначальной, а отражательная способность
системы из двух и более зеркал — еще меньше. Отражательная
способность может быть улучшена путем использования спе-
циального покрытия.
Однако изготовление больших зеркал без поверхностных
дефектов весьма затруднительно, что ограничивает их исполь-
зование.
Простейший микроскоп (лупа) представляет собой единич-
ную собирающую линзу. Увеличение, которое обеспечивает еди-
ничная линза, определяется следующим выражением:
25
Увеличение = -у- .	(2.1)
В этом уравнении f — фокусное расстояние линзы в см,
а цифра 25 представляет собой среднее минимальное расстоя-
ние в см от объекта до «нормального» невооруженного глаза.
Используя эту формулу, можно рассчитать, что линза с фокус-
ным расстоянием 12,5 см даст двукратное увеличение (иногда
эта характеристика линзы записывается в виде 2Х). Фокусное
расстояние простой лупы и ее рабочее расстояние приблизи-
тельно одинаковы. Предположим, например, что необходимо
исследовать деталь, расположенную в машине таким образом,
что лупа не может быть поднесена к ней ближе, чем на 7,5 см.
В этом случае необходимо использовать линзу с рабочим рас-
стоянием не более 7,5 см, т. е. в соответствии с уравнением
(2.1), линзу с трехкратным увеличением.
Поле зрения — это область, видимая через лупу. Диаметр
поля зрения простой лупы меньше, чем ее фокусное расстояние.
15
Предположим, что требуется исследовать поверхность изделия
больших размеров. При использовании 20-кратной лупы, диа-
метр поля зрения которой лишь немного больше 9,5 мм, такое
исследование заняло бы несколько часов, поэтому надо сначала
использовать лупу с небольшим увеличением и выявить подо-
зрительные области, а затем исследовать их лупой с большим
увеличением. Глубиной резкости называют то расстояние, в пре-
делах которого лупа может быть удалена от изделия либо
приближена к нему при сохранении резкости изображения из-
делия. Вне этих пределов изделие будет не в фокусе, и изобра-
жение поверхности будет нечетким. Глубина поля зрения и ра-
бочее расстояние изменяются в зависимости от -силы линзы;
эти величины сравнительно велики для линз с малым увеличе-
нием и уменьшаются по мере возрастания кратности линзы.
Чтобы максимально использовать возможность лупы, ее всегда
следует держать как можно ближе к глазу, так как при этом
глаз воспринимает наибольшее количество лучей. Такое распо-
ложение лупы также уменьшает отражение света, падающего
на поверхность линзы, облегчая условия наблюдения. При ис-
пользовании лупы плоскость линзы должна быть параллельна
плоскости исследуемого объекта. Следует помнить, что с увели-
чением площади обзора мелкие детали теряются. Поэтому при
исследовании радиограмм должны использоваться лупы с боль-
шим увеличением.
Исключением из упомянутого выше правила является способ
исследования с помощью большого увеличительного стекла,
предназначенного для наблюдения обоими глазами, в связи с
чем его надо располагать достаточно далеко от глаз.
Для обнаружения и исследования усталостных трещин ис-
пользуют микроскопы. Изучение усталостных трещин с помощью
оптических микроскопов преследует три цели: определить рас-
положение первичной макроскопической трещины в изделии
в том случае, когда возникновение трещин равновероятно во
многих его точках; исследовать распространение усталостной
трещины и определить, каким образом влияют на характер
трещины границы зерен, включения и т. д.; изучить возникнове-
ние и развитие микроскопических трещин. В первом случае
используется микроскоп с увеличением от 2 до 20 раз, во вто-
ром случае необходимое увеличение составляет от 100 до
500 раз; в последнем случае требуется увеличение от 1500 до
2000 раз. Наиболее мелкие поверхностные трещины могут быть
обнаружены путем изготовления пластических отпечатков
(реплик) сф поверхности исследуемого изделия, которые затем
изучаются под микроскопом. В работах Петерсона, Джонса
и Аллена [1], [2] приводится описание процесса, который позво-
ляет при 500-кратном увеличении выявлять на поверхности эма-
лированных изделий трещины размером от 1 до 1,5 мк. Хантер
и Фрике [3] использовали этот метод для обнаружения начала
16
растрескивания в образцах из алюминия и алюминиевых спла-
вов, испытываемых на усталость.
Возможности оптического микроскопа ограничены пределами
разрешающей способности линз; использование электронного,
микроскопа позволяет во много раз увеличить достижимую раз-
решающую способность. С помощью электронного микроскопа
можно заметить трещины в 2—3 мк. Электронные микрофото-
графии делают с очень тонких пластических отливок или реп-
лик поверхности металла. Пучок электронов в микроскопе на-
правлен так, что он проходит через реплику; изменение толщины
реплики вызывает изменение интенсивности пучка, что регист-
рируется на фотопленке. В целях увеличения контрастности
изображения иногда используют и другие методы, такие как
метод «теневой» отливки, описанный Крэйгом [4].
Крайне полезным оптическим прибором при проведении
испытаний является металлограф, предназначенный для иссле-
^дования структуры металлов, а также других непрозрачных
материалов. Этот прибор представляет собой двойной составной
микроскоп, причем один микроскоп используется для непосред-
ственного наблюдения, а второй — для проектирования изобра-
^\жения на экран с целью дальнейшего исследования или фото-
^ч^графирования; оба микроскопа имеют один и тот же объектив.
ХВ металлографе лучи от источника света падают на прозрачное
зеркало, размещенное между окуляром и объективом, и отра-
жаются от него на образец, причем объектив служит конденсо-
ром. Световые лучи, в различной степени отражаясь от по-
верхности образца, проходят через объектив и образуют первич-
ное изображение, которое повторно увеличивается в окуляре
(фиг. 1 а, б). При исследовании непрозрачных тел используется
схема подсветки, показанная на фиг. 1,в; световые лучи после
прохождения через ламповый конденсор падают на плоскую
зеркальную поверхность в виде цилиндрического пучка, причем
q центральная часть пучка затеняется круглым непрозрачным эк-
' раном. Плоское зеркало отражает этот световой пучок на по-
верхность кольцевого зеркала, от которого лучи направляются
на поверхность образца (часто кольцевое зеркало и объектив
выполнены как единый компонент оптической системы, причем
их фокальные плоскости совмещены). Если световые лучи па-
дают на хорошо отполированную поверхность, нормальную
к оптической оси прибора, то они не воспринимаются оптиче-
ской системой, в результате чего поверхность кажется черной
(«темное пол£»). Если же поверхность имеет ряд неровностей,
то они окажутся освещенными; свет от неровностей будет отра-
жаться в различной степени.
При обычном использовании металлографа могут быть при-
менены многие схемы подсветки и методы изготовления образ-
ца, характерные для металлографии. Некоторые неметаллические
материалы повышенной твердости, например определенные виды
17
б’<^янотэка
пластиков и керамики, могут быть отполированы и исследованы?
при подсветке по схеме, показанной на фиг. 1,6 (подсветка по
методу «светлого поля»), или в поляризованном свете при ма-
лых, средних и больших увеличениях. Материалы, имеющие
неровную поверхность, с большим успехом могут быть исследо-
ваны и сфотографированы при небольших увеличениях, еслж

Фиг. 1. Оптическая схема метал-
лографа:
1 — световые лучи. 2 — объектив, 3 —
образец между покровным стеклом и
зажимом, 4 — промежуточный конден-
сор, 5 — зеркало, 6 — конденсор, 7 —
источник света, 8 — отраженные лучи,
9 — световые лучи от источника, 10 —
прозрачное зеркало. 11 — изделие, 12—
плоская зеркальная поверхность, 13 —
непрозрачный центральный экран, 14—
кольцевое зеркало.
применить подсветку по схеме 1,в (метод «темного поля»); эта!
схема дает возможность получить хорошие результаты при ис-
следовании волокнистых материалов или изделий, имеющих
окрашенную или металлизированную поверхность. Для того что-
бы подчеркнуть рельеф некоторых поверхностей, может быть
использован метод «теневого профилирования» с применением
внецентровой ирисовой диаграммы. Типичные микрофотографии
показаны на фиг. 2.
Как следует из самого названия, трубоскоп — это прибор^
предназначенный для контроля внутренних поверхностей труб,.,
сверлений и камер малых диаметров. Трубоскопы представляют
собой оптические системы большой точности, в которых исполь-
зуется сложное сочетание призм, ахроматических и простых,
линз (фиг. 3). Источник света, размещенный nepeft объективом,
обеспечивает освещение исследуемого участка поверхности^
Изображения наибольшей яркости получаются в трубоскопах
большего диаметра и меньшей длины. При увеличении длиньт
трубоскопа яркость изображения вследствие световых потерь
уменьшается. В большинстве трубоскопов диаметр поля наблю-
дения составляет приблизительно 25 мм при расстоянии от
18
объектива до исследуемой поверхности 25 мм. Размер поля на-
блюдения для системы с заданным коэффициентом увеличения
обычно меняется в зависимости от диаметра.
Конструкция объектива определяет угол зрения, размер ви-
зуального поля и количество света, проходящего через систему.
Фиг. 2. Микрофотографии, снятые при боковом освещении:
а — плоскость расслоя кальцита (175-кратное увеличение), б — плоскость расслоя квар-
ца (100-кратное увеличение).
Промежуточные линзы, концентрируя световую энергию, попа-
дающую в оптическую систему, обеспечивают прохождение све-
товых лучей через телескопическую трубу с минимальными по-
Фиг. 3. Оптическая схема трубоскопа.
терями. Конструкция промежуточных линз оказывает большое
влияние на характер получаемого изображения. Для увеличения
резкости и сохранения действительных цветовых характеристик
изображения в трубоскопах применяют ахроматические проме-
жуточные линзы. В зависимости от длины телескопического
участка изображение требует горизонтальной, вертикальной
либо двойной инверсии. Такая инверсия осуществляется в оку-
ляре с помощью корректирующих призм в трубоскопах малого
диаметра или специальных линз в системах большего диамет-
ра. Точность изготовления призм и линз трубоскопа должна
удовлетворять самым высоким требованиям стандарта на опти-
ческие устройства. Оптическая система трубоскопа собирается
с большой точностью и тщательно регулируется, чтобы
19
обеспечить ясное, яркое и неискаженное изображение. Конструк-
ция трубоскопа должна обладать достаточной прочностью.
Трубоскопы могут быть спроектированы и изготовлены
с любым углом зрения. На фиг. 4, а показан трубоскоп с углом
зрения 90° и источником света, помещенным перед линзой
объектива. Система дает возможность вести наблюдение под
прямым углом к оси, трубоскопа; рабочее поле наблюдения
этого трубоскопа имеет диаметр около 25 мм и располагается
на расстоянии 25 мм от объектива. Такой трубоскоп может
a)	S)	В)
Фиг. 4. Конструкции трубоскопов:
а — прямоугольный, б — косоприцельный, в — прямонаправленный,
г — ретроспективный.
быть использован для контроля малых отверстий диаметром
0,5 жж, а также больших отверстий в широком диапазоне длин.
Этот прибор является совершенным инструментом для исследо-
вания таких объектов, как ружейные и револьверные стволы
и стенки цилиндрических или фигурных отверстий. Косоприцель-
ная система (фиг. 4, б) обеспечивает наблюдение вперед и в
пределах угла около 55° от оси телескопа. Особенностью этой
системы является то, что при вращении трубоскопа рабочий
участок визуального поля значительно возрастает. Подобная
конструкция допускает установку осветительной лампы на кон-
це прибора, причем лампа не появляется в поле зрения. Прямо-
направленная система (фиг. 4, в) обеспечивает наблюдение
вперед по оси трубоскопа с полем зрения приблизительно 25 жж
на расстоянии 25 жж от линзы объектива. Ретроспективный тру-
боскоп (фиг. 4, а) имеет источник света, расположенный на
стороне линзы объектива; это единственный прибор, обеспечит
вающий точный визуальный контроль сверлений с внутренними
заплечиками. Возможность с помощью оптического прибора
наблюдать два близко расположенных объекта зависит не толь-
ко от совершенства конструкции и точности изготовления при-
бора, но ограничивается также законами оптики. Так как изобра-
жение точечного объекта не является точкой, а представляет
собой дифракционную картину конечных размеров, возникает
необходимость определить условия, при которых два таких
изображения могут быть отличимы одно от другого. Очевидно,
что это зависит от качества изображения и остроты зрения
наблюдателя. Если d — диаметр в плоскости изображения пер-
вого темного кольца дифракционной картины, X — длина волны
20
и и' — половина угла конуса лучей, образующих точечное
изображение, то в соответствии с формулой Рэлея [5]
d =	,	(2.2)
sin и'
Обычно считается, что в действительной практике возможно-
сти человеческого глаза превышают предел, установленный
формулой (2.2); поэтому можно принять, что при достаточно
Фиг. 5. Оптический компаратор:
1 — источник освещения высокой интенсивности, 2 — конденсор,
3 — исследуемая деталь в держателе, 4 — ход лучей, 5 — смот-
ровой экран, 6 — промежуточная линза, 7 — прерыватель, 8—
световыравнивающая диафрагма, 9 — проекционная линза, 10 —
зеркало.
хорошей конструкции оптического прибора два точечных изобра-
жения могут быть отличены одно от другого, если расстояние
между ними D = d/2 удовлетворяет формуле
0,5Х
sin и'
(2.3)
В оптическом компараторе (фиг. 5) увеличенное изображе-
ние исследуемого изделия проектируется на экран. Необходи-
мость точного проектирования форм поверхности требует, чтобы
изделие было освещено пучком параллельных световых лучей.
Кроме этого, расстояние между экраном и линзой конденсора
должно быть постоянным, что обеспечивает точное увеличение.
Посредством проекционной оптической системы и плоского зер-
кала увеличенное теневое изображение детали проектируется
на экран, где оно может быть проконтролировано и измерено
путем сравнения с контрольным чертежом или контуром. Неточ-
ности могут быть измерены при помощи микрометрических
21
устройств, перемещающих плиту, на которой закреплено изделие,
в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Для измерения углов и угловых отклонений предусмотрено
градуированное поворотное устройство; при этом показания от-
считываются по нониусу. Чтобы обеспечить высокую степень
точности оптической системы и получить плотную, неискаженную
теневую картину, в приборе должны быть использованы высоко-
Фиг. 6. Схема устройства для панорамного фотографирования:
/ — лентопротяжный механизм, 2 — щель 2, 3 — отражательное зеркало для
визуального контроля, 4 — экран из шлифованного стекла, 5 — лупа для ви-
зуального контроля, 6 — лампа с ленточным накальным элементом, 7 — линзы
конденсора, 8 — щель 1, 9 — линза источника освещения, 10 — щель 4, 11 —
щель 5, 12 — расщепитель луча, 13 — щель 3, 14 — линза фотокамеры, 15 —
понижающий редуктор, 16 — ходовой винт, 17 — гайка, 18 — каретка, в ко-
торой закреплено изделие, 19 — точка А на стенке канала, 20 — держатель
зеркала, 21 — зеркало, 22 — изделие, 23 — установочный винт.
качественные линзы и зеркала, а для создания оптимальных ус-
ловий освещения и получения резких контуров тени необходим
источник освещения высокой интенсивности. В блок источника
освещения входят низковольтная лампа, конденсирующая линза,
цветной светофильтр и вентилятор, обеспечивающий постоянную
температуру осветительного устройства.
Фотографический метод. В этом разделе будет ’рассмотрена
лишь панорамная фотография [5]. Другие фотографические ме-
тоды детально изложены в работах [6], [7], [8]. Следует заметить,
что цветная фотография, высокоскоростная киносъемка и теле-
видение (по ограниченной сети) будут находить все более ши-
рокое применение при проведении неразрушающих исследова-
ний, особенно для определения и изучения причин разрушения
материалов или компонентов изделий при их эксплуатации.
Схематическая диаграмма панорамного фотографирования
показана на фиг. 6. В данном случае этот метод был разработан
22
для контроля блоков тепловыделяющих элементов ядерных
реакторов. Эти блоки состоят из большого числа разделенных
промежутками параллельных пластин, сваренных вместе так,
что они образуют ряд длинных узких каналов, доступных только'
с одного конца. Свет от лампы с ленточным накальным эле-
ментом фокусируется на щели /, которая затем действует как
источник освещения для остальной системы. Линза источника
освещения фокусирует изображение щели 1 на стенке канала
в изделии в точке А; световой пучок на стенку канала проекти-
руется с помощью зеркала, помещенного внутри канала, причем;
освещается лишь некоторый участок стенки.
Свет, отраженный от поверхности и при этом изменивший
свои характеристики, снова отражается от зеркала и затем про-
ходит через расщепитель светового пучка и линзу фотокамеры^
которая проектирует изображение освещенной стенки канала на
фотопленку. Величину щели 2 подбирают так, чтобы исключить,
влияние всех лучей, кроме тех, которые отражаются от зеркала
и формируют изображение. Если изделие и фотопленка непод-
вижны, то фотографируется только узкий участок стенки.
Для того чтобы получить изображение всей стенки канала,
изделие и пленка синхронно перемещаются, в то время как зер-
кало и другие компоненты фотокамеры остаются неподвижными.
При этих условиях изображение, соответствующее данной точке
на объекте, будет зафиксировано относительно пленки, и время
экспозиции будет определяться временем, необходимым для
того, чтобы изображение точки пересекло щель 2. Отношение
скорости перемещения пленки к скорости перемещения изделия
должно выдерживаться постоянным и в точном соответствии с
величиной оптического уменьшения.
Измерение плоскостности и шероховатости поверхностей. При
измерении плоскостности или ровности поверхностей обычно при-
меняют законы интерференции видимого света. Используя тео-
рию интерференции при отражении света от двух плоских
поверхностей, можно сравнить два калиброванных блока либо
стандартный блок и другое изделие. Рабочим стандартом пло
скостности является оптическая пластинка. Такие пластинки
изготовляются из обычного стекла, пирекса или плавленого
кварца, разных толщин и диаметров; они могут быть оптически
плоскими по одной или по обеим поверхностям. Пластинки из
обычного стекла несколько более прозрачны, но пирекс имеет
лучшую термическую стабильность. Пластинки из плавленого
кварца обладают наилучшими характеристиками в отношении
термической стабильности и износостойкости. Отклонение по-
верхности оптической пластинки от абсолютной плоскостности
составляет всею лишь 0,25—0,025 мк по всей ширине пластинки.
Принцип использования оптических пластинок заключается
в образовании интерференционной картины или интерференцион-
ных «полос» (фиг. 7). Пластинку прикладывают к рабочей
23-
поверхности под некоторым углом так, что образуется узкий
«воздушный клин». Сверху на пластинку направляют свет от
монохроматического источника. Часть света, которая отражает-
ся от верхней поверхности пластинки и пропускается либо по-
глощается рабочей поверхностью, не влияет на интерференцион-
ную картину и поэтому не показана. Часть световых лучей будет
Фиг. 7. Оптическая интер- 
ференция (X—длина	вол-
ны) :
1 — источник света, 2 — нижняя
поверхность оптической пла-
стинки, 3 — поверхность изде-
лия, 4 — лучи, смещенные по
фазе на 180° и вызывающие
образование темных интерфе-
ренционных полос, 5 — лучи к
наблюдателю.
отражаться на границе «стекло—
воздух». Другая часть света прой-
дет через эту границу и воздушный
клин и отразится от рабочей поверх-
ности. Эти два отраженных пучка
несколько смещены один относи-
тельно другого, но глазом будут
восприняты одновременно. На фиг. 7
ход лучей, пересекающих воздуш-
ный клин, построен для той точки,
где ширина воздушного клина точ-
но равна половине длины волны. В
тех случаях, когда выдерживается
это условие, два отраженных луча,
смещенные по фазе на 180°, будут
взаимно уничтожаться; в этой точке
располагается центр темной интер-
ференционной полосы. Это условие
интерференции будет выполняться в
любой точке, где на толщине воздушного клина укладывается
целое число полуволн. Следовательно, в поле зрения будет воз-
никать целая серия темных полос. В отношении изменения фазы
отраженных лучей условия отражения двух лучей, показанных
на фиг. 7, различны. Фаза луча не изменяется, если свет отра-
жается в пределах одной и той же среды. На фиг. 7 фаза луча,
отраженного от нижней поверхности оптической пластинки, не
изменяется; фаза луча, отраженного от границы «воздух — рабо-
чая поверхность», изменяется на 180°. Это правило фаз согласу-
ется с фактом образования темных полою в тех точках, где пла-
стинка и рабочая поверхность находятся в контакте. На фиг. 8
показаны интерференционные картины для нескольких видов от-
клонения от плоскостности поверхности прямоугольного об-
разна.
Обработка поверхности нередко имеет большое значение
вследствие ее влияния на поведение металла в условиях трения
и возникновения усталостных явлений. Во многих случаях рабо-
тоспособность и долговечность изделия в значительной степени
зависят от шероховатости или «гладкости» канавки качения ,в
подшипнике, зубьев шестерен и других поверхностей; когда
поверхности грубо обработаны, рабочие характеристики изде-
лия ухудшаются. Правда, в некоторых случаях слишком глад-
кие поверхности работают настолько же плохо, как и слишком
24
шероховатые. Таким образом, определение нужной степени
чистоты поверхности и выбор соответствующего способа обра-
ботки позволяют изготовлять изделия с оптимальными характе-
ристиками.
Фиг. 8. Различные виды интерференционных полос:
а — прямые, параллельные и равноотстоящие полосы показывают, что поверхность со-
вершенно ровная в пределах одной миллионной доли дюйма, б — кривизна полос та-
кова, что проведенная к ним касательная не пересекает соседнюю полосу; кривизна
полос составляет половину расстояния между полосами, что соответствует неплоскосг-
ности 5,8 миллионных долей дюйма; то, что полосы вогнутой стороной обращены к
линии контакта, указывает на выпуклость испытываемой поверхности, в — касательная
линия пересекает одну полосу, что соответствует неплоскостности 11,6 миллионных до-
лей дюйма; характер изгиба полос по-прежнему указывает на выпуклость поверхности,
г — касательная линия пересекает две полосы, указывая на неплоскостность 23,2 мил-
лионных долей дюйма, д — выпуклость полос, обращенная к линии контакта, свиде-
тельствует о вогнутости испытуемой поверхности, пересечение касательной линией од-
ной полосы указывает на неплоскостность 11,6 миллионных долей дюйма, е — характер
полос указывает, что поверхность имеет выпуклость вдоль линии В и вогнутость вдоль
линии С, отклонение от плоскостности в каждом случае составляет 11,6 миллионных
долей дюйма, как показано на сечении А— А, ж и з — то же для кольцевых образцов.
Для определения шероховатости поверхности используют
приборы, которые либо воспроизводят увеличенное изображе-
ние профиля неровностей, либо посредством электрических или
механических измерений дают некоторый численный эквивалент-,
25
характеризующий состояние поверхности. С помощью микро-
скопа можно получить лишь вид изделия в плане, измерить же
величину неровностей, как правило, нельзя. В этом отношении
исключение составляет интерференционный микроскоп Цейса
[9], который служит для подробного изучения некоторых видов
поверхностей с высотой неровностей в диапазоне от 0,025 до
0,5 мк.
Методы контроля, основанные на непосредственном чувствен-
ном восприятии, не дают возможности установить ни диапазон
изменения величины неровностей, ни характер профиля неров-
ностей вдоль поверхности, что наиболее важно при контроле
чистоты поверхности в производственных условиях. Во многих
случаях при контроле таких поверхностей, как поверхность
узких заплечиков, небольших отверстий и пазов, выточек, глу-
боких сверлений и зубьев шестерен, форма или размер детали
не позволяет определить степень шероховатости поверхности
«на глаз» или «наощупь». Было обнаружено, что для большин-
ства видов шероховатости проникнуть к основанию бугорков
возможно лишь в том случае, если диаметр кончика щупа не
превышает 0,025 мм. Это показывает, что при использовании
более тупых щупов точное определение размера неровностей
недостижимо
Американская ассоциация стандартов установила, что щупы,
используемые для определения величины неровностей, должны
отвечать следующим требованиям.
«Во всех случаях, кроме специально оговоренных конструк-
тором, в качестве стандартного должен использоваться конусо-
видный щуп со сферической головкой. Для некоторых специаль-
ных случаев применения может быть желательной долотообраз-
ная головка щупа. Стандартным считается радиус сферической
головки 0,0125 мм. Другие величины радиусов могут быть ис-
пользованы лишь при особых обстоятельствах, когда при вели-
чине радиуса 0,0125 мм невозможно получить необходимую
информацию. При использовании других величин радиусов они
должны быть выбраны из ряда 0,0025, 0,0125, 0,125, 1,25 мм
и т. д.
Отклонение радиуса головки прибора не должно превы-
шать 30% от номинального значения. Номинальный угол кони-
ческого щупа должен равняться 90°. Опора щупа должна быть
такой, чтобы при нормальных рабочих условиях не имелось
боковых отклонений, способных привести к ошибке при измере-
нии величины неровностей. Для стандартного радиуса головки
0,0125 мм усилие, действующее на щуп, не должно превышать
2,52 Г в любой точке диапазона смещений щупа.
Минимальное усилие, действующее на щуп, должно быть
достаточным, чтобы выдерживался контакт головки щупа с
поверхностью при максимальной амплитуде изменения высоты
неровностей, максимальной скорости слежения и минимальном
26
промежутке между неровностями, на которую рассчитан при-
бор».
Существует большое количество акустических, механических
и пневматических приборов для измерения величины неровно-
стей. Однако преобладающее большинство применяемых в на-
стоящее время приборов основано на том, что механическое
перемещение щупа перпендикулярно исследуемой поверхности
вызывает возникновение электрического сигнала, который затем
усиливается и подается на регистрирующее устройство. Амери-
канская Ассоциация Стандартов разработала стандарт [10], в ко-
тором приводятся описания геометрических искажений поверх-
ностей твердых тел, физических эталонных образцов для опре-
деления шероховатости и характеристики оборудования,
используемого при проведении таких измерений.
При определении качества обработки поверхности исполь-
зуются понятия среднего арифметического и среднего квадра-
тичного отклонения от средней линии.
Следует отметить, что приборы для измерения шероховато-
сти, калиброванные по среднеквадратичному отклонению, дают
показания, на 11% превышающие показания приборов (для
этой же поверхности), калиброванных по среднеарифметиче-
скому отклонению. Приборы, первоначально калиброванные по
среднеквадратичному отклонению, могут, во многих случаях,
быть отрегулированы по среднеарифметическому отклонению.
Однако изделия, на рабочих чертежах которых величина шеро-
ховатости была обозначена по среднеквадратичному отклонению,
вполне можно контролировать приборами, калиброванными по
среднеарифметическому отклонению. Объясняется это тем, что
разница в 11% по величине меньше, чем колебания шерохова-
тости одной и той же поверхности и значительно меньше раз-
ницы шероховатостей поверхностей двух одинаковых изделий.
В промышленности находят применение два прибора для
измерения величины неровностей: анализатор поверхности и про-
филометр. Анализатор поверхности — это устройство, с помощью
которого регистрируется профиль поверхности и численно опре-
деляется среднеквадратичное отклонение. Щуп прибора приво-
дится в движение электродвигателем; длина перемещения щупа
за одно качание, длящееся 10 сек, равна 1,6 мм. Щупом (стило/
служит алмаз с радиусом головки 0,0125 мм. Такой радиус
для всех измерений вполне приемлем, но может привести к не-
которому скруглению пиков и заострению впадин на профило-
грамме. Профилограмма будет достоверной вплоть до ширины
шероховатостей, равной 0,1 мм, в то время как на шкале пока-
заний прибора регистрируются шероховатости шириной до
0,3 мм. Анализатор поверхности снабжается электрическим при-
способлением для калибровки; кроме того, в комплект входит
образец для проверки состояния щупа. С помощью такого ана-
лизатора можно исследовать поверхности, размеры которых
27
достаточны для установки щупа и тормоза и допускают переме-
щение щупа на 1,6 мм (например, поверхности отверстия диа-
метром 6,4 мм).
Профиломер — это механический электронный прибор, из-
готовленный в расчете на применение в заводских условиях.
Профиломер относится к приборам усредняющего типа, которые
регистрируют усредненное отклонение от средней поверхности.
В зависимости от размера, формы и расположения исследуемой
поверхности применяют различные типы щупов. В основном
прибор состоит из щупа, который передвигается по поверхности
ручным или механическим способом, электронного усилителя
и устройства, измеряющего амплитуду электрического тока.
Шкала показаний прибора проградуирована в микродюймах;
прибор регистрирует среднюю высоту неровностей при переме-
щении щупа по поверхности изделия. Прибор может показывать
как среднеарифметические, так и среднегеометрические откло-
нения в зависимости от положения кнопки на панели.
В приборах подобного типа используется дифференциальный
трансформатор. При движении щупа вдоль поверхности изделия
головка щупа перемещается вверх и вниз, следуя за изменения-
ми контура поверхности. Вертикальные перемещения головки
щупа вызывают перемещения обмотки, расположенной в поле
постоянного магнита. При этом возникают небольшие колеба-
ния напряжения, которые пропорциональны высоте неровностей.
Это напряжение подается на электронный усилитель, а затем —
на вход регистрирующего устройства. Максимальная измеряе-
мая ширина шероховатости зависит от скорости перемещения
щупа и при ручном перемещении будет превышать 0,84 мм.
Щуп с механическим перемещением имеет скорость 7,6 мм)сек,
что дает возможность с удовлетворительной точностью измерять
неровности шириной 0,51 мм. Прибор автоматически вычисляет
среднюю линию профиля поверхности (фиг. 9), а также усред-
ненную высоту неровностей. Эти величины считываются со
шкалы прибора. Процесс измерения, вычисления и усреднения
происходит непрерывно, поэтому прибор регистрирует кривую
изменения средней высоты неровностей вдоль всей исследуемой
поверхности.
Бауш и Ломб разработали портативный компаратор для
оценки шероховатости (фиг. 10). С помощью этого прибора
оператор сравнивает шероховатость данного изделия с шерохо-
ватостью стандартной пластинки либо изделия, принятого в ка-
честве эталона. Оператор видит круговое изображение, одна
половина которого соответствует стандартной поверхности,
а другая — поверхности проверяемого изделия. Изображение
обоих поверхностей увеличено в 10 раз.
Для измерения величины неровностей может быть также
использован интерференционный микроскоп. При исследовании
поверхности интерференционный микроскоп одновременно уве-
личивает изображение исследуемой поверхности и путем «окон-
туривания» представляет ее структуру в удобной для измерения
форме. Этот микроскоп позволяет измерять неровности глуби-
ной от 2 до 0,03 мк. В интерференционном микроскопе исполь-
зуется тот же принцип действия, что и в рассмотренных ранее
оптических пластинках. Для подсветки поверхности применяется
8)
Фиг. 9. Регистрация поверхностных неровностей с помощью профиломера:
а — шлифованное чугунное литье, масштаб 5000 по вертикали, 50 по горизонтали,
б — то же, масштаб 5000 по вертикали, 500 по горизонтали, в — литой бакелит, мас-
штаб 2500 по вертикали, 50 по горизонтали; 1 — дефект, 2 — общая неровность. 3 —
шероховатость, 4 — волнистость.
монохроматическое излучение, в результате чего длина волны
при всех условиях остается постоянной и прибор всегда дает
точные показания, не нуждаясь в калибровке. В монохрома-
тическом свете, однако, иногда бывает трудно проследить на-
правление интерференционных полос, если отклонение полос
больше их ширины; когда используется белый свет, то окра-
шенные в различные цвета полосы более четко выявляют на-
правление глубоких царапин. Тем не менее, неровности контура
поверхности всегда измеряют при монохроматическом освещении.
29
Такой интерферометр используется в сочетании с электрон-
ным счетчиком, который выполняет непосредственный отсчет
интерференционных полос. Показания счетчика могут быть пре-
образованы в абсолютные размеры умножением на постоянный
коэффициент.
Толанский (11] рассмат-
ривает вопрос о том, каким
образом точные оптические
интерференционные методы
Фиг. 10. Оптическая схе-
ма компаратора Бауша
и Ломба для оценки ше-
роховатости поверхности:
/—исследуемая поверхность,
? — эталонный образец, 3—
пупа с 10-кратным увеличе-
нием, 4 — делитель светово-
го пучка, 5 — источник све-
та.
Ь)
Фиг. 11. Фотоэлемент:
а — конструктивная схема, и — схема при-
менения фотоэлемента; / — световые лучи,
2 — катод.
могут быть использованы для изучения топографии относительно
гладких поверхностей, включая поверхности металлов, кристал-
лов и пластиков, а также для изучения свойств тонких пленок
и некоторых оптических свойств металлов. Эти методы характе-
ризуются высокой точностью, и с их помощью могут быть про-
ведены измерения в масштабе межмолекулярных расстояний.
Светочувствительные приборы. Для того чтобы исключить не-
обходимость в непосредственном визуальном наблюдении при
контролировании процессов, которые сопровождаются световым
излучением, могут быть использованы фотоэлементы, фото-
30
электронные трубки и другие светочувствительные приборы. На
фиг. 11 показано принципиальное устройство фотоэлектронной
трубки и контур, в котором такая трубка может быть исполь-
.зована. На фиг. 12, а показана вольтамперная характеристика
трубки при различных значениях интенсивности падающего на
нее светового излучения, а на фиг. 12, б — характеристика
-спектральной чувствительности трубки. Следует указать, что та-
кие детекторы могут быть изготовлены в расчете как на инфра-
красное, так и на видимое излучение.
При помощи такой трубки могут быть обнаружены, напри-
мер, булавочные отверстия в металлической ленте. Для этого
Фиг. 12. Характеристики фотоэлемента:
а — вольтамперная характеристика высоковакуумного фотоэлемента, б — спектраль-
ная чувствительность фотоэлемента.
ленту пропускают между источником света и фотоэлектронной
трубкой; свет, проходя через отверстие и попадая на экран труб-
ки, вызывает возникновение электронного импульса, который
после усиления подается на вход счетчика, маркирующего уст-
ройства или бракующего механизма. Берн [12] использовал этот
метод для исследования пористости отливок из магниевых спла-
вов. Полоски пористых отливок медленно пропускались перед
фотоэлектронной трубкой, имевшей апертуру от 3,2 до 16 мм и
подсоединенной к усилителю и миллиамперметру.
Оптические методы используются в датчике бесконтактного
типа, предназначенном для измерения ширины горячей металли-
ческой полосы [13]. Ширина полосы, измеренная этим датчиком,
регистрируется на показывающем приборе и в случае необходи-
мости может быть зафиксирована самопишущим прибором. Точ-
ность датчика не менее 3 мм при ширине полосы от 250 до
2440 мм. Показание прибора не зависит от возможных боковых
и вертикальных смещений прокатываемой полосы, а также от
изменения температуры полосы в пределах 160 °C в диапазоне
температур от 315° до 1150 °C. Так как слежение за кромками
раскаленной полосы осуществляется оптическим путем, детектор-
ную головку прибора можно поместить на высоте 4,5 м над поло-
31
сой. На этом расстоянии чувствительные элементы в незначи-
тельной степени подвержены воздействию окружающих условий,
таких как высокая температура, влажность, дым и грязь.
Сигналы, которые затем используются для измерения ши-
рины, возникают под действием света, излучаемого кромками
раскаленной полосы; оптическое изображение каждой кромки
воспроизводится в следящих устройствах, размещенных в детещ
торной головке. Блок-схема прибора показана на фиг. 13. Поло-
Фиг. 13. Блок-схема прибора для измерения и контроля ширины на-
гретой металлической полосы:
а — детекторная головка, б — пульт оператора, в — электронное контрольное
устройство; 1 — предусилитель, 2 — электродвигатель, 3 — сельсинный гене-
ратор, 4 — усилитель, 5 — контур автоматического смещения, б — ограничи-
тель, 7 —фильтр, 8 — мостовой контур, 9 — регистратор отклонений, 10 — ука-
затель отклонения, 11 — указатель ширины, 12 — сельсинный двигатель, 13 —
следящее устройство, 14 — раскаленная стальная полоса.
жение следящих устройств регулируется с помощью винта, вра-
щаемого электродвигателем так, чтобы эти устройства помеща-
лись точно над номинальным положением кромок полосы. Линза
в нижней части каждого следящего устройства фокусирует изо-
бражение кромки раскаленной полосы на диск, позади которого
находится фотоэлектронная трубка, преобразующая световой
сигнал в электрический. Вращающийся диск с прорезью обеспе-
чивает периодичность подачи светового сигнала на трубку; про-
рези диска пересекают изображение кромки под прямым углом к
направлению движения полосы. Поле слежения каждого следя-
32 .
щего устройства имеет ширину приблизительно 250 мм, причем
кромка полосы проходит посередине этого поля. Таким образом,
поле достаточно велико, чтобы допустить некоторое смещение
полосы, а также нормальные отклонения от заданной ширины.
Под действием светового сиг-
нала в каждой трубке генери-
руются периодические импуль-
сы напряжения прямоуголь-
ной формы, причем относитель-
ная ширина импульса прямо
пропорциональна положению
кромки. После предваритель-
Фиг. 15. Спектральные характеристи-
ки кристалла сульфида кадмия
(сплошная кривая) и селенида кад-
мия (штриховая кривая) в диапазо-
не видимых световых лучей.
Фиг. 14. Детектор для измерения
толщины слоя ингибитора на топлив-
ных частицах:
1 — световые лучи, 2 — кристалл CdSe,
3 — батареи 45 е, 4 — ингибитор, 5 — ча-
стица топлива, 6 — микроамперметр.
ного усиления эти импульсы передаются на усилители, распо-
ложенные на контрольном пункте. Усиленные импульсы соответ-
ствуют той ширине полосы, которая воспринимается фотоэлект-
ронными трубками; для определения полной ширины полосы
к этой ширине должна быть добавлена величина, определяемая
положением трубок.
Бьюджес [14] использовал кристаллический детектор из селе-
нида кадмия для измерения толщины ингибитора на частицах
твердого'ракетного топлива (фиг. 14). Коллимированный свето-
вой пучок падает на покрытую ингибитором частицу; при этом
часть света поглощается веществом частицы и ингибитором.
Прошедшее излучение детектируется кристаллом селенида
кадмия. Кристалл селенида кадмия является полупроводником,
сопротивление его определяется интенсивностью и длиной вол-
ны падающего излучения; этот кристалл имеет максимальное
сопротивление в полной темноте; его сопротивление уменьшается
при увеличении интенсивности освещения. Характеристические
кривые детекторов из сульфида кадмия и селенида кадмия по-
казаны на фиг. 15. В результате эксперимента было обнаружено,
что, используя детектор на основе селенида кадмия, работаю-
щий при напряжении 90 в, можно регистрировать изменения
толщины ингибитора без промежуточного усиления тока непо-
2 Испытания без разрушения	33
средственно по показаниям микроамперметра. При толщине
ингибитора 1,47, 1,24 и 0,86 мм показания микроамперметра
соответственно были 18, 6 и 0,5 мка.
На фиг. 14 проиллюстрирован тот парадоксальный факт, что
интенсивность света, прошедшего через ингибитор, увеличи-
вается с ростом толщины слоя ингибитора. Так как первичный
пучок света проходит не только через ингибитор, но и через ча-
стицу, на пути луча может оказаться больше вещества частицы,
чем ингибитора. Вследствие того, что плотность частицы состав-
ляет около 1,6 по сравнению с плотностью ингибитора 1,3, то
при одинаковых геометрических условиях частица будет погло-
щать больше света, чем ингибитор. Может представить интерес
выяснение высокой эффективности кристалла селенида кадмия
по сравнению с фотоэлементом в данном частном случае. Свето-
чувствительная площадь фотоэлемента, как правило, во много
раз превосходит светочувствительную площадь кристалла (ЗХ
X1 мм); полагая удельную чувствительность одинаковой для
обоих детекторов, можно сделать вывод, что пучок поперечным
сечением 3X1 мм будет воздействовать на кристалл в 100 раз
сильнее, чем на фотоэлемент. Очень крутой наклон спектральной
кривой в инфракрасной и красной областях (фиг. 15) показы-
вает, что кристалл селенида кадмия крайне чувствителен к из-
лучению нити, светящейся при низкой температуре; поэтому в
качестве источника света может быть использована небольшая
лампочка, работающая при низких напряжениях.
Некоторые оптические методы неразрушающих испытаний
были рассмотрены Толанским, Стефенсом и Хэвенсом [15].
Эти методы включают интерферометрию на двух пучках света,
интерферометрию на многих пучках света, оптическое профили-
рующее микроскопирование, теневое профилирование, оптическое
вращение плоскости поляризованного электромагнитного излу-
чения, оптическое отражение и фазоконтрастное микроскопиро-
вание. Эти методы могут быть использованы для изучения ше-
роховатости, свойств тонких пленок, поверхностной неоднородно-
сти и механических деформаций, поверхностных де-
фектов, формы и распределения изъязвлений при травлении
и коррозии; для исследования течения металла, ок-
ружающего отпечаток при испытании металла на твердость по
методу вдавливания, глубины отпечатков, топографии границ
зерен в сплавах; для изучения электроотложений и скорости
удаления вещества при химическом и разрядном травлении.
Авторы предлагают использовать для этого не только видимое
излучение, но также инфракрасные и ультрафиолетовые лучи
и микроволны (в специальных случаях). Например, использова-
ние инфракрасного излучения при исследовании поверхностей
позволило бы исключить влияние небольших поверхностных по-
роков на работоспособность детали.
ГЛАВА 3
ИСПЫТАНИЕ ДАВЛЕНИЕМ
И КОНТРОЛЬ ПО МЕТОДУ ТЕЧЕИСКАНИЯ
При испытаниях давлением и контроле по методу течеиска-
ния дефекты обнаруживаются по проникновению газа или жид-
кости в полости дефектов или через эти полости. Наиболее про-
стым и наиболее распространенным способом испытания давле-
нием является гидростатическая опрессовка. При этом испыта-
нии внутри испытуемого (полого) объекта создается давление,
превышающее наружное давление. Примером такого испытания
является обнаружение прокола в камере автомобиля. Камера за-
полняется газом при давлении, превышающем давление окру-
жающего воздуха, и прокол обнаруживается по образованию
пузырьков при погружении камеры в воду. Для создания дав-
ления могут быть использованы вода, масло, воздух или другие
жидкости и газы. Так как при газовых испытаниях всегда суще-
ствует вероятность разрыва изделия, то за исключением особых
случаев следует избегать использования воздуха или других
газов.
Для некоторых гидростатических испытаний используется
чистая вода или вода, содержащая красящее вещество. Темпе-
ратура воды не должна быть ниже температуры окружающей
атмосферы; в противном случае внешняя поверхность изделия за-
потеет, что может воспрепятствовать выявлению дефектов. Дав-
ление при гидростатических испытаниях должно повышаться по-
степенно. Величина давления часто обусловливается нормами
либо инструкциями. Места утечек могут быть обнаружены по
фильтрации воды или газа. Наличие утечек также может быть
выявлено по изменению давления жидкости или газа. Иногда
места утечек определяются по образованию пузырьков, если
испытуемый объект покрыт мыльным раствором или погружен
в жидкость. Пузырьковые испытания менее чувствительны по
сравнению с испытаниями гелиевым течеискателем, которые бу-
дут описаны ниже.
Гидростатические испытания. Гидростатические испытания ча-
сто предусматриваются нормами для контроля работающих
под давлением сварных сосудов, трубопроводов или трубной
2* 35
арматуры, открытые концы которой могут быть заглушены. Та-
кие сосуды подвергают гидравлической опрессовке, причем дав-
ление испытаний в 1,5—2 раза превышает рабочее давление.
Обратная фильтрация может быть установлена в течение 24 ч
после проведения гидростатических испытаний путем покрытия
поверхности сосуда известковой побелкой. Хотя иногда несквоз-
ные дефекты могут расшириться настолько, что через них будет
просачиваться вода, как правило, этим методом могут быть вы-
явлены только достаточно серьезные дефекты, такие как тре-
щины по центру сварного шва и сквозные поры. Незначитель-
ные щелевые трещины могут не обнаруживаться.
Первым этапом при испытаниях сварных сосудов является
воздушная опрессовка. В сосуде создается определенное давле-
ние воздуха, и места утечек обнаруживаются с помощью мыль-
ного раствора, наносимого на поверхность сварных швов, либо
для небольших сосудов погружением в воду. Испытания с ис-
пользованием химических индикаторов основываются на реги-
страции утечек газов, вводимых во внутренние полости сосудов,
с помощью чувствительных растворов или газов. Среди различ-
ных методов, которые находят практическое применение, воз-
можно, наиболее известным является аммиачно-фенолфталеино-
вый метод. В соответствии с этим методом поверхность свар-
ного шва очищают и покрывают белым фенолфталеиновым
индикатором. Затем в высушеный сосуд вводят аммиачно-воз-
душную смесь; парциальное давление аммиака составляет при-
близительно 0,035 ати, воздуха — 0,14 ати. Фильтрация газа че-
рез сварной шов изменяет белую окраску индикатора на яркоро-
зовую. Индикатор обычно состоит из смеси 5 частей 2%-ного
раствора фенолфталеина в спирте, 2 частей дистиллированной
воды, 10 частей глицерина и порошка окиси титана в количестве,
достаточном для того, чтобы придать раствору консистенцию
^жидкой краски. Другим материалом, который иногда использу-
ется, является смесь аммиака и двуокиси серы.
Пузырьковые испытания. Погружение сосудов в воду и пода-
на в них воздуха под давлением в некоторых случаях использу-
ется в качестве первичных испытаний при проверке на отсут-
ствие утечек; однако чувствительность этого метода может быть
достаточно высока, если использовать очень высокие давления.
Чувствительность пузырьковых испытаний была исследована Би-
ремом [1]. Его работы показали, что при правильном выборе ис-
пользуемой жидкости пузырьковый метод может быть сделан
весьма чувствительным.
Для сравнения в табл. 1 приведена чувствительность различ-
ных стандартных методов, имеющих практическое применение.
Предельная чувствительность перечисленных в таблице методов
выражена в обычных единицах вакуумной техники, литр-микрон
в секунду, что приблизительно эквивалентно утечке 1 смЧсек
при атмосферном давлении.
36
Чувствительность различных методов течеискания
Таблица 1
Метод течеискания	Чувствительность в лмк/сек
Гидравлическая опрессовка	........ Аммиачно-индикаторный	 Фреоновый	 Фреоновый с усилением постоянного тока ....... Масс-спектрометрический		 С применением водородного датчика Пирани 	 С применением ионного датчика (например, водородно- палладиевая система)	 Воздушная опрессовка с применением мыльного раствора Пузырьковый с применением водорода и эфира или водо- рода и спирта 		Неограниченная 10-а ЗЛО-3 Ю-з 10-ю ю-4 IO-3—10-5 ю-2 5.10-4
Может быть показано, что предел чувствительности пузырь-
кового метода при условии оптимальной комбинации вида жид-
кости и газа составляет от 5- 10~4 до 10~3 лмк!сек в диапазоне
небольших давлений. Для большинства практических целей,
включая опробывание вакуумных систем с постоянной откачкой,
такая чувствительность достаточна.
Основной причиной низкой чувствительности этого метода при
использовании воды является сравнительно большой размер об-
разующихся пузырьков. Образование таких пузырьков протекает
настолько медленно, что их можно не заметить. В жидкостях,
обладающих небольшим поверхностным натяжением (спирт,
ацетон, эфир), диаметр образующихся пузырьков в 7—8 раз
меньше диаметра пузырьков в воде. Вследствие этого они ис-
пускаются в несколько сот раз чаще; в слое жидкости эти пу-
зырьки образуют вертикальную струйку, которая при соответст-
вующих условиях наблюдения ясно видна. Кроме этого, для
жидкостей с малым поверхностным натяжением при данном
давлении минимальный размер отверстия, у которого могут об-
разоваться пузырьки, меньше и, следовательно, могут быть вы-
явлены более мелкие дефекты. Как оказалось, количество ис-
пытательной жидкости, поступающей в вакуумный объем через
наименьшее отверстие, увеличивается в третьей степени с умень-
шением поверхностного натяжения.
Наилучшей комбинацией является водород и эфир, так как
эфир обладает низким поверхностным натяжением, а водород
характеризуется высокой проницаемостью через малые отвер-
стия. Оба вещества опасны, и в качестве замены при условии не-
которой потери чувствительности могут быть использованы
.метанол и гелий. Прежде чем работать с такими веществами, конт-
ролер'должен ознакомиться с их опасными свойствами и необ-
ходимыми мерами предосторожности. Если допустимо дальней-
шее понижение чувствительности, то гелий можно заменить
37
сжатым воздухом при условии, что он будет подаваться непо-
средственно из баллона. Использовать для этой цели стацио-
нарные линии сжатого воздуха не рекомендуется, так как воз-
дух в них загрязнен маслом, которое может временно закупо-
рить места утечек. По этой же причине не рекомендуется ис-
пользовать мыльный раствор, хотя он и обладает низким по-
верхностным натяжением. Пузырьковые испытания обычно про-
водят под давлением 1—1,4 ати, но ценная- информация может
быть получена и при более низких давлениях. При давлениях
до 3,5 ати для подсоединения небольших газовых баллонов к
испытуемому изделию с успехом применяются пластиковые или
резиновые шланги; при более высоких давлениях следует ис-
пользовать армированные трубки.
Создавать давление в испытываемом изделии следует до его
погружения, так как для обнаружения небольших отверстий, за-
полненных жидкостью, требуется большее давление. Для осмот-
ра следует применять двух,- трехкратное увеличительное стекло,
помещаемое на расстоянии 10—12,5 см от изделия; применение
лупы с большим увеличением не намного повысит качество ис-
следования, так как существует определенный минимальный раз-
мер пузырька. Существенную роль играет хорошее освещение;
большую пользу при наблюдении может также принести темный
фон. Небольшая струйка пузырьков скорее может быть обнару-
жена сверху, а не сбоку. Погружение больших сосудов может
оказаться невозможным; в этом случае подозрительные зоны
проверяют при помощи местных ванн.
Для исследования поверхностных трещин методом пузырь-
ковых испытаний Мур [2] применил обрызгивание изделия бензи-
ном, проникающим в любые малые трещины; в результате при-
ложения к изделию периодической вибрационной нагрузки из
трещин выходит пузырящаяся смесь бензина и воздуха.' Этот
способ является наиболее пригодным, если частота прикладыва-
емых периодических напряжений составляет 10—20 гц. Другой
вариант этого способа описан Кивером [3], который предлагает
во время испытаний или после них обливать изделия, испытыва-
емые на усталость, небольшим количеством мыльного раствора.
При продолжении испытаний любая трещина обнаруживается
в виде линии мыльных пузырьков. Считают, что такой
способ позволяет регистрировать мельчайшие трещины.
Преимуществами пузырьковых испытаний является то, что
они дешевы, могут быть проделаны малоквалифицированным
персоналом, кратковременны, дают возможность точно опреде-
лить местоположение трещин, а также то, что все изделие ис-
следуется одновременно. Эта методика не позволяет обнаружи-
вать весьма малые дефеты. Известно, что в некоторых случаях
трещина пропускает газ только в одном направлении, и если
газ можат проходить только снаружи внутрь, то выявить такую
трещину пузырьковым методом невозможно. Жидкость для пу-
38
зырьковых испытаний должна обладать низким поверхностным
натяжением и малой вязкостью. Размер пузырька зависит от
вязкости жидкости, давления, величины трещины и частоты
вибраций.
В литературе [4] описано устройство для проверки очехлован-
иых изделий на протечку через чехол. Чехол покрывают хорошо
смачивающей жидкостью с малой вязкостью и малым поверхно-
стным натяжением (мыльный раствор, керосин и др.). Исполь-
зуемая жидкость не должна кипеть при пониженном давлении.
Затем- изделие помещают в прозрачный контейнер, где создают
вакуум. В местах протечки под слоем жидкости образуются пу‘'
зырьки, возникновение которых обусловлено пониженным внеш-
ним давлением.
Мак-Гоннейгль, Мак-Лайн и Вуд [5] описывают метод, на-
званный вакуумными пузырьковыми испытаниями, позволяющий
обнаруживать небольшие течи в сварных швах, соединяющих
концевики из алюминиевого сплава с оболочкой тепловыделяю-
щего элемента ядерного реактора, если в конструкции элемента
предусмотрен воздушный промежуток между урановым топли-
вом и концевиком. Заваренный конец элемента вводится в ваку-
умную камеру и герметизируется манжетообразным уплотне-
нием; начальное положение тепловыделяющего элемента — го-
ризонтальное. После того как в камере установится вакуум
25 мм рт. ст., все устройство поворачивается на 90°, и из резер-
вуара, расположенного над сварным швом, выливается специ-
альное масло. Так как газ из воздушного промежутка просачи-
вается через любую трещину в сварном шве, то в масле, покры-
вающем шов, образуется тонкая струйка пузырьков. Было
установлено, что такие испытания наиболее чувствительны, если
сварной шов свободен от грязи и окислов. Наилучшие результаты
были получены при вакуумировании камеры до того, как масло
выливалось на сварной шов. Наиболее пригодным оказалось
масло, имеющее при комнатной температуре плотность
0,787 г/см\ динамическую вязкость 0,0086 пз и поверхностное
натяжение 25,8 дин!см2.
Фирма Боинг Эйркрафт для обнаружения течи при опрессовке
некоторых деталей высотных бомбардировщиков использует би-
науральные стетоскопы. Испытания проводят при повышенном
давлении, так как источники всех утечек должны быть точно
определены. При перепаде давлений, направленном наружу, не-
сколько отверстий на стороне низкого давления могут иметь одно
общее отверстие на стороне высокого давления.
Опрессовка и контроль по методу утечек могут быть сделаны
более чувствительными путем добавления к воде флуоресциру-
ющего вещества и соответствующего подсвечивания поверхности
изделия, а также использования таких газов, как фреон, аммиак
и гелий.
Течеискание с использованием радиоактивных веществ. Фир-
39
мой Рид-Куртис Нуклиар Индастриз разработана техника
испытания на герметичность небольших деталей, названная «Ра-
дифло» [8]. В соответствии с методикой проведения этих испы-
таний изделие помещается в большую емкость, которая затем'
герметически закрывается. Во внутреннюю полость емкости по-
дается смесь радиоактивного газа с любым другим газом (напри-
мер, азотом, воздухом)^ при давлении приблизительно 1 атм по
отношению к внутреннему давлению в изделии. Изделия выдер-
живают в атмосфере радиоактивного газа достаточное время,
чтобы все изделия, имеющие сквозное отверстие, аккумулирова-
ли достаточное количество газа. После извлечения из емкости
каждое изделие очищают от радиоактивных загрязнений и по-
мещают перед детектором радиоактивного излучения. Скорость-
счета, определенная с помощью такого детектора, прямо про-
порциональна количеству радиоактивного газа в детали. Чувст-
вительность этих испытаний зависит от давления, коэффициента:
разбавления и времени выдержки в атмосфере радиоактивного-
газа. Установлено, что, используя подобную методику испы-
таний, можно обнаруживать в небольших герметически закрытых
деталях утечку в 1 см3 за 500 лет. Теоретически этот предел
может быть увеличен в 10 раз и более. Фирма Белл [7] сооб-
щает об эффективном использовании подобного метода для про-
верки течеискателей.
Патмен и Джефферсон [8] рекомендуют использовать радио-
активный натрий для измерения расхода и утечек в гидравличе-
ских системах. Водяную магистраль заполняют по всей длине ра-
диоактивным раствором. Все отводы от магистрали заглушают,
и поддерживают в ней давление на некотором уровне в течение-
получаса или часа, чтобы определенное количество радиоактив-
ного раствора успело проникнуть в окружающий грунт. Затем
радиоактивный раствор выкачивают и измеряют активность
влажной почвы вокруг магистрали,- особенно в местах соедине-
ния трубопроводов. При обычных условиях этот метод позволяет
обнаруживать утечки величиной более 100 но достаточно
надежно можно выявить и утечки до 2 мл1ч.
Для определения местонахождения малых утечек в длинных
магистралях часто используется другой метод. На трубопроводе
закрывают входной и выходной вентили, и давление создается
путем подачи воды через отверстие в середине испытуемой сек-
ции. Когда устанавливается равновесное давление, в поток воды
вводится небольшой объем радиоактивного вещества. Радиоак-
тивное вещество устремляется главным образом в направлении
наибольшей утечки и счетчики, помещенные на каждой стороне-
трубопровода в месте подачи воды, определяют направление
утечки. Длинные участки магистрали, в которых имеются значи-
тельные утечки, могут быть испытаны измерением скорости воды
в магистрали. Для этого все отводы заглушают и вводят в ма-
гистраль небольшой объем радиоактивного вещества. Вдоль
40
Фиг. 16. Метод обнаружения пе-
ретечек в теплообменнике:
1 — ввод радиоактивного вещества,
2 — детектор.
магистрали в удобных точках размещают радиоактивные де-
текторы; измерив время прохождения радиоактивного вещества
между двумя смежными точками, определяют скорость воды.
Когда точка утечек пройдена, происходит резкое изменение ско-
рости.
Для выявления утечек в очень длинных магистралях и неф-
тепроводах используется другой метод. Во входной конец тру-
бопровода вводят некоторое количество радиоактивного веще-
ства. Спустя некоторое вре-
мя, достаточное для того, что-
бы радиоактивный раствор
прошел расстояние около
2,5 км, в магистраль опускают
устройство, состоящее из детек-
тора радиоактивных излучений
и записывающего прибора. Это
устройство уносится потоком
жидкости; в процессе движе-
ния вдоль магистрали радиоак-
тивный детектор отмечает ме-
ста, где произошла утечка ра- х
диоактивного раствора. В ка-
честве измерителей расстояния используют небольщие источни-
ки гамма-излучения, размещенные вдоль магистрали с внешней
стороны. Течеискательное устройство извлекают с противопо-
ложной стороны магистрали и расшифровывают показания запи-
сывающего прибора.
С помощью радиоактивных веществ может быть также легко
обнаружено перетекание жидких потоков из одного канала в
другой. При соответствующих условиях перетекание может быть
измерено количественно. Примером применения такой методики
является обнаружение перетекания между поперечными пото-
ками в теплообменнике (фиг. 16) [9]. Радиоактивное вещество
вводят небольшими порциями во входной патрубок греющей
среды. Детекторы радиоактивного излучения прикрепляют к вы-
ходным патрубкам как греющей среды, так и рабочей жидкости.
Если детектор на патрубке рабочей жидкости отмечает наличие
радиации, то перетекание существует. Сравнивая число импуль-
сов, регистрируемых этим детектором и детектором, прикреплен-
ным к другому выходному патрубку, можно установить размер
течи. Этот метод дает возможность обнаруживать утечки по-
рядка нескольких десятых процента.
Веркамп и Виллиаме [10] использовали радиоактивные изо-
топы для опробования герметичности контуров теплоносителя
на атомных электростанциях. Их методика заключается в запол-
нении системы раствором радиоактивных изотопов, имеющим на-
чальную концентрацию около 0,01 мккюри[мл воды. Все свар-
ные швы, колпаки клапанов, заглушки сливных трубопроводов
41
обертывали поглощающей лентой. Давление в системе поднимали
до уровня, в 1,5 раза превышающего рабочий, и поддерживали
в течение 6—8 ч. Затем жидкость несколько раз прогоняли по
всему контуру, после чего давление сбрасывали, снимали ленты
и исследовали их с помощью радиоактивных счетчиков.
Контроль с помощью галоидных течеискателей. Простейшим
галоидным течеискателем, используемым в промышленности, яв-
ляется галоидная горелка, состоящая из емкости для газа и ла-
тунной пластинки. Газ зажигается и нагревает латунную пла-
стинку. В присутствии газообразного галоида цвет пламени ме-
няется, что обусловлено образованием галоида меди.
Фирмой Дженерал Электрик [11] разработан течеискатель
повышенной чувствительности, реагирующий на большинство
газов, содержащих хлор, фтор, бром или иод. В их число входят
фреон, генитрон и галогенные газы. Газы, входящие в семей-
ства фреонов и генитронов, включают сернистый гексафторид,
трихлорэтилен и тетрахлорид углерода. Этот прибор может об-
наруживать отверстия настолько малые, что им соответствует
утечка не более 0,01 унции фреона в год. Концентрация гало-
гена, регистрируемая прибором, составляет одну часть на мил-
лион.
Действие детектора основано на том факте, что эмиссия поло-
жительных ионов с нагретой поверхности платины увеличива-
ется в присутствии газов-галогенов и большинства их произ-
водных. Для того чтобы пробный газ постоянно протекал над по-
верхностью нагретого до 800 °C галогеночувствительного эле-
мента, в прибор встроен всасывающий вентилятор. При работе с
этим прибором зона, в которой производится испытание, должна
быть свободной от паров галогеносодержащих веществ; в про-
тивном случае обнаружить утечку невозможно из-за фонового за-
грязнения. На показания прибора часто влияет даже дым от си-
гареты. Течеискатель такого вида не является количественным
прибором и может дать лишь приблизительную оценку размера
утечки.
Контроль с помощью гелиевого течеискателя. Гелиевый тече-
искатель, в котором используется гелий в качестве пробного
газа и промышленный масс-спектрометр в качестве детектора,
обладает крайне высокой чувствительностью при проведении
испытаний на герметичность. Промышленный гелиевый течеис-
катель может обнаруживать присутствие 1 части гелия в 10
миллионах частей воздуха. Это соответствует утечке гелия менее
1 см3 газа в год при нормальных температуре и давлении. Ге-
лиевый течеискатель представляет собой портативный масс-
спектрометр, спроектированный в расчете на максимальную
чувствительность к гелию. Как известно, масс-спектрометр слу-
жит для разделения или сортировки атомов с различной мас-
сой.
Молекулы газа, входящего в масс-спектрометр, бомбарди-
42
руются электронами, испускаемыми нагретой нитью. Пучок
образованных в результате этой бомбардировки ионов уско-
ряется и фокусируется электрическим полем. Затем ионы про-
ходят между полюсами постоянного магнита, магнитное поле
которого отклоняет ионы на круговые орбиты.
Ионы, имеющие равные массы, после выхода из магнитного
поля будут собираться в одной точке. Гелиевый течеискатель
устроен таким образом, что в нем
к источнику отбираются только ионы гелия.
питания
го течеискателя:
1 — нагретая сетка отража-
теля, 2 — электронный пу-
чок, 3 — молекулы газа из
испытуемого изделия, 4 —
постоянный магнит, 5 — тя-
желые ионы, б — ионы ге-
лия, 7 — электрометрическая
лампа. 8 — мишень, 9 — лег-
кие ионы, 10 — пучок ио-
нов, 11 — щель, 12 — воль-
фрамовая нить.
Поток ионов гелия образует слабый
электрический ток, который может
быть детектирован, усилен и ис-
пользован для того, чтобы привести
в действие электрический прибор,
регулирующий уровень звукового
сигнала. На фиг. 17 показана схе-
ма гелиевого течеискателя и свя-
занной с ним системы вакуумиро-
вания.
' Гелий используется для обнару-
жения утечек потому, что он
Фиг. 18. Контроль на герметичность
.с помощью гелиевого течеискателя;
метод обдува:
1— баллон с гелием, 2— головка с соплом,
3 — испытываемая система, 4 — вспомога-
тельный насос. 5— гибкий шланг, 6— дрос-
сельный клапан, 7 — течеискатель.
является инертным газом и не реагирует с другими газами и
материалами испытуемой системы. Гелий не присутствует в
сколько-нибудь значительной степени в атмосфере, что позволяет
избежать некоторых неудобств, связанных с понижением чувст-
вительности испытаний. Кроме того, гелий, обладая малым
атомным весом, более свободно проникает через небольшие от-
верстия, чем тяжелые газы.
Применяются четыре различных способа испытаний на гер-
метичность с использованием гелиевого течеискателя: способы
43
обдува, зондирования, аккумулирования и опрессовки. Перед
испытанием по любому из перечисленных способов изделия
должны быть очищены, так как грязь, влага, окалина и масло
легко могут закупорить сравнительно большие отверстия. Для
закупорки малого отверстия достаточно влаги даже от челове-
ческого дыхания.
Рассмотрим способ обдува (фиг. 18). Испытываемое изделие
непрерывно вакуумируется вспомогательным насосом или насо-
сами. Проба откачиваемого газа непрерывно подается в течеис-
катель через дросселирующий клапан. Дросселирующий клапан
используется для регулирования количества газа, чтобы не пре-
вышалось рабочее давление течеискателя (допускается работа
при повышенных давлениях, но в этом случае чувствительность
уменьшается). Чтобы обнаружить утечки, внешнюю поверхность
изделия с помощью полой иглы обдувают тонкой струей гелия.
Гелий втягивается в любое отверстие в стенках изделия, и его
следы регистрируются течеискателем в виде визуального или
звукового сигнала. Использование тонкой струи гелия дает воз-
можность точно определить размеры и положение отверстия или
отверстий. Если воздух, окружающий изделие, содержит боль-
шое количество гелия, то отыскание течи вследствие высокого
фонового сигнала становится затруднительным. Размер отвер-
стий, выявленных этим способом, может быть определен с по-
мощью калиброванного отверстия; калиброванные отверстия
поставляются в комплекте с гелиевыми течеискателями. Стандарт-
ные отверстия обычно калибруются в см31 сек. Величина отвер-
стия 10~6 означает, что при перепаде давлений 1,05 атм про-
сочившийся гелий заполнит объем J дюйм3 ( — 16,4 сж3) через:
6 мес. При величине отверстия 10~7, 10~8 или 10~9 и том же са-
мом перепаде давлений этот процесс потребует соответственно'
5, 50 и 500 лет. На чувствительность испытаний влияют давле-
ние в изделии и скорость перемещения пробника. В частности,
чувствительность испытаний возрастает при повышении давле-
ния в испытуемом изделии.
Иногда достаточно определить лишь наличие утечек или их
суммарную величину. В этом случае изделие можно поместить,
в какую-либо газонепроницаемую камеру, наполненную гелием
(фиг. 19). В качестве такой камеры часто используют пласти-
ковый мешок.
Третий способ схематически показан на фиг. 20. Изделие за-
полняют гелием или смесью гелия и воздуха при давлении, боль-
шем атмосферного. Поверхность объекта затем исследуют с по-
мощью зонда с подсасывающим устройством, соединенным с ге-
лиевым течеискателем. Гелий, вытекающий через неплотности,
засасывается зондом и подается в камеру течеискателя. Другой
вариант этого способа заключается в том, что изделие запол-
няют гелием при любом давлении и помещают в камеру, соеди-
ненную с течеискателем (фиг. 21). В этой камере создают
44
небольшой вакуум. Гелий через неплотности попадает сначала
в вакуумированную камеру, а затем — в течеискатель. Этот спо-
соб имеет то преимущество, что дает возможность определить
Фиг. 19. Контроль на герме-
тичность с помощью гелие-
вого течеискателя; метод
вакуумируемой камеры:
1 — течеискатель, 2 — вакууми-
руемая камера, 3 — герметично
закупоренное изделие, заполнен-
ное воздушногелиевой смесью,
4 — клапан, 5 — вспомогатель-
ный- насос.
Фиг. 20. Контроль на гер-
метичность с помощью ге-
лиевого течеискателя; метод
зондирования:
1 — система, заполненная воз-
душногелиевой смесью под дав-
лением, 2 — зонд с подсасы-
вающим устройством, 3 — те-
чеискатель.
затруднить выявление течи,
аккумулирования изделие за-
Фиг. 21. Контроль на герметич-
ность с помощью гелиевого те-
чеискателя; метод газонапол-
ненной камеры:
1 — течеискатель, 2 — камера, за-
полненная гедием, 3 — испытуемая
система, 4—вспомогательный насос
ства гелия в атмосфере может
При испытаниях по способу
полняют некоторым постоянным количеством гелия и помещают
в стеклянную камеру, которую за-
тем вакуумируют. Проникающий
через неплотности гелий в течение
определенного времени аккуму-
лируется в камере. Затем пробу
газа из аккумулирующей камеры
анализируют на содержание ге-
лия. Такой способ увеличивает
чувствительность испытаний.
Если изделие должно рабо-
тать при повышенных температу-
рах, то и контроль на герметич-
ность надо проводить при тех же
температурах. Испытания при по-
вышенных температурах могут
быть проведены при условии не-
значительных модификаций опи-
санных выше способов.
Опрессовка может быть использована для испытания изде-
лий, к которым нет возможности присоединить течеискатель или
источник гелия. Этот способ находит применение в области ре-
акторостроения для обнаруживания мельчайших трещин, отвер-
стий и щелей в оболочках и концевиках тепловыделяющих
элементов. По этому способу испытаний изделие помещают в
45
емкость, содержащую гелий под давлением, и некоторое время
выдерживают в гелиевой атмосфере (фиг. 22, а). Затем изделие
переносят во вторую камеру, соединенную с вакуумным насосом
и гелиевым течеискателем (фиг. 22, б). Камеру вакуумируют,
Фиг. 22. Контроль на герметичность с помощью
гелиевого течеискателя; метод опрессовки:
а — схема установки, б — емкость для выдержки изде
лия при повышенном давлении; 1 — испытательная ка-
мера, 2 — кольцевая прокладка, 3 — герметичные клапа-
ны, 4 — холодная ловушка, 5 — вакуумметр, 6 — гибкая
вакуумная линия, 7 — гелиевый течеискатель.
после чего открывают дроссельный клапан на линии к тече-
искателю.
Относительное количество высвободившегося гелия регист-
рируется на шкале течеискателя. Типичные результаты таких
испытаний, которым были подвергнуты 128 тепловыделяющих
элементов с подваренными концевиками, приведены ниже:
Показания течеискателя (про-
извольные единицы) . . . 0,0 0,6 1,1	1,6 2,1 3,1 4,1	12 14
—0,5 —1,0 —1,5 —2,0 —3,0 —4,0 —5,0
Количество образцов в диапа-
зоне показаний .... 48	5	18	19	30	3	3	1 1
Соответствующая величина для чистого алюминиевого
стержня составила 0,10. Два образца, испытания которых дали
завышенные результаты, были доведены до разрушения; обна-
ружилось, что они имели дефектные сварные швы. Была пока-
зана возможность выявить в небольшой группе элементов эле-
мент с завышенным выделением гелия. Грязь, влага, масло и
окалина на изделии затрудняют оценку его качественного
состояния, но образцы, обработанные в кислотной ванне,
46
достаточно чисты для испытаний. Большие открытые полости
(например, следы от обработки, видимые глазом) не вызывают
заметного выделения гелия, так как гелий не задерживается в
них после того, как изделие извлечено из камеры выдержки.
Относительная чувствительность контроля на герметичность
с помощью гелиевого течеискателя может быть проиллюстриро-
вана на следующем примере. Пеппин [12] из Ноллзской Атомно-
энергетической Лаборатории сообщает, что отрезок трубы дли-
ной 9 м и диаметром 50 мм был сначала испытан на герметичность
с помощью галоидного течеискателя и пузырьковым мето-
дом с применением мыльного раствора. При испытании гелие-
вым течеискателем было обнаружено 28 дополнительных отвер-
стий. В другой системе, которая по результатам пузырьковых
испытаний и контроля галоидным течеискателем считалась гер-
метичной, было обнаружено 68 неплотностей.
Термический течеискатель. Минтер [13] разработал течеиска-
тель, действие которого основано на явлении теплопроводности.
Чувствительный элемент этого прибора представляет собой ме-
таллическую пластинку, в которой просверлены четыре ячейки
небольшого диаметра. В эти ячейки вставлены четыре вольфра-
мовые спирали одинакового размера, образующие мостовую
схему Уитстона. Мостовой контур подсоединен к источнику по-
стоянного потенциала величиной около 4 в, а выводы моста под-
ключены к чувствительному микроамперметру или нулевому
прибору через усилитель постоянного тока. В рабочем положе-
нии прибор располагается на пути газового потока между ваку-
умируемым объемом и насосом. Порция пробного газа, посту-
пающего из течи, приходит в контакт сначала с первой по ходу
газа парой спиралей, что нарушает балансировку моста и вызы-
вает отклонение стрелки нулевого прибора. При прохождении
газа через спирали, составляющие вторую пару моста, стрелка
отклонится в противоположную сторону. Если пробный газ по-
ступает из течи постоянно, то отклонение нулевого прибора бу-
дет обусловлено разностью давлений между двумя парами
ячеек, в которых расположены спирали. По сообщению
автора, утечки, обнаруженные с помощью масс-спектрометра,
регистрируются и этим прибором.
ГЛАВА 4
КОНТРОЛЬ ПО МЕТОДУ ПРОНИКАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
Контроль с помощью проникающих жидкостей может быть
использован для выявления поверхностных несплошностей или
дефектов, имеющих выход на поверхность изделия. Метод
проникающих жидкостей может рассматриваться как дополнение
к визуальному методу исследования. Лишь очень немногие
дефекты, выявленные с помощью этого метода, не могут быть
обнаружены опытным контролером при визуальном исследо-
вании.
Однако проникающие вещества более четко выделяют очер-
тания несплошностей, благодаря чему визуальный контроль
становится менее субъективным. Это обстоятельство делает
метод более приемлемым для использования в качестве про-
изводственного испытания, позволяя повысить общую надеж-
ность и скорость контроля. Метод проникающих жидкостей
применим ко всем металлам, а также к глазурованной кера-
мике, пластикам и другим непористым материалам. Для
обнаружения дефектов на пористых поверхностях (например,
необожженные керамические материалы) используются спе-
циальные виды проникающих жидкостей.
Метод проникающих жидкостей применим как к магнитным,
так и немагнитным материалам, где методы порошковой маг-
нитной дефектоскопии не могут быть использованы. Контроль
с применением проникающих жидкостей обладает рядом цен-
ных преимуществ — требует небольших затрат времени, прост,
относительно недорог и надежен. Основным ограничением и
недостатком этого метода является то, что он позволяет вы-
являть только поверхностные дефекты или дефекты, имеющие
выход на поверхность. Этот метод дает лишь приблизительное
представление о глубине и размере дефектов. Правда, неко-
торые контролеры, имеющие большой опыт работы, могут
делать довольно надежные оценки глубины и размера дефектов.
Метод проникающих жидкостей может быть использован для
обнаружения шлифовочных трещин, трещин в сварных швах,
трещин в отливках, усталостных и усадочных трещин, раковин,
волосовин, пор, неслитин, пор в сварных швах, сквозных тре-
48
щин, ковочных морщин и разрывов, зарубин, следов механи-
ческой обработки. Дефекты должны обладать свойством ка-
пиллярности, чтобы втянуть жидкость и удержать ее после
удаления излишнего количества жидкости. Неглубокие или
широко открытые дефекты трудно обнаружить, так как про-
никающая жидкость в них не задерживается. Однако такие
дефекты обычно легко обнаруживаются при визуальном иссле-
довании. Поверхности должны быть свободны от любых ве-
ществ, которые могут закупоривать отверстия. Трубы неболь-
шого диаметра этим методом можно исследовать только
снаружи ввиду недоступности их внутренней поверхности.
Метод керосиновой пробы. Простейшим и старейшим испы-
танием с использованием проникающих жидкостей является
метод керосиновой пробы с мелом. Проникающую жидкость —
керосин — наносят на исследуемую поверхность. Спустя неко-
торое время, достаточное для того, чтобы керосин проник во
все дефекты, излишнюю жидкость полностью удаляют и по-
верхность тщательно просушивают. Затем на поверхность
наносят тонкий слой мела (карбоната кальция) либо в виде
сухого порошка, либо в смеси со спиртом. Через некоторое
время керосин просачивается из дефектов в слой мела, вызывая
его потемнение. Метод керосиновой пробы с мелом широко
используется для контроля осей железнодорожных вагонов.
После того как меловое покрытие высыхает, ось вращают и
обстукивают молотком, чтобы способствовать выделению керо-
сина из мельчайших трещин. Иногда используется подогретый
керосин, так как он обладает пониженными поверхностным на-
тяжением и вязкостью. Кроме того, нагрев вызывает некоторое
расширение трещин.
Оуверкерк и Бинкхарст [1] в своих исследованиях устано-
вили, что этот метод применим для нахождения трещин шири-
ной более 0,02 мм.
Другим видом пробы является керосиновая проба с песком.
Поверхность предварительно тщательно очищают и затем
в течение нескольких минут смачивают керосином. После сма-
чивания поверхность обдувают чистым мелким песком (сито
>№ 40), промывают водой для удаления лишнего песка и
высушивают на воздухе. На обдутой поверхности вследствие
просачивания керосина появляются очертания дефектов. Однако
эти очертания довольно недолговечны и могут исчезнуть спустя
относительно короткий промежуток времени вследствие испа-
рения керосина. В соответствии с другой модификацией этого
же общего метода образец сначала протравливают разбав-
ленной соляной или серной кислотой для расширения трещин.
Затем образец покрывают 3%-ным раствором дубильной или
галловой кислоты и высушивают. После этого образец поли-
руют, и трещины выступают в виде черных линий на светлом
фоне.' Дефекты, возникшие в процессе напайки и заточки
49-
карбидной режущей пластинки, могут быть обнаружены обду-
вом пластинки тонким абразивом в жидкой среде. Совместное
абразивное и гидравлическое воздействие выводит размельчен-
ное керамическое вещество из невидимых трещин, которые
в результате этого становятся видимыми.
Проникающая жидкость удовлетворительного качества мо-
жет быть получена путем смешения красного красителя, олеино-
вой кислоты и горячего масла. В качестве проявителя для этой
жидкости используется раствор талька в спирте.
На Нью-йоркской верфи для составления проникающей
жидкости применяют следующие вещества: дизельное горючее
масло (870 сж3); смазочно-охлаждающая эмульсия (80 см3)
и олеиновая кислота (50 см3), К 1000 см3 этой смеси добавляют
1 унцию (31,1 Г) красного ализаринового красителя в порошке
и размешивают до полного растворения. Для проявления при-
меняют раствор талька в спирте.
Проникающие жидкости, применяемые в настоящее время
в промышленном масштабе, позволяют производить испытания
более чувствительные, чем керосиновая проба с мелом и керо-
синовая проба с песком. Некоторые свойства таких жидкостей
представлены в табл. 2.
Таблица 2
Некоторые свойства проникающих жидкостей, выпускаемых фирмами США
Торговая марка	Dy-Chek	Met-L-Chek	Spo’tchek	Zygi о
Фирма-изготови- тель Тип жидкости Способ нанесения Температурный диапазон примене- ния в °C Способ удаления Проявитель Освещение иссле- дуемого объекта Вспомогательное оборудование	Turco-Products Inc. Жидкий краситель красного цвета Кистью, набрыз- гиванием или погружением 20—65 Растворителем Взвесь белого порошка Дневное Отсутствует	Met-L-Chek Со. Жидкий краситель красного цвета Кистью, набрыз- гиванием или погружением 20—.55 Водой Взвесь белого порошка Дневное Источник воды	Magnaflux Corp. Жидкий кра- ситель крас- ного цвета Набрызгива- нием Свыше 1 5 Растворителем Взвесь белого порошка в летучей жидкости Дневное Отсутствует	Magnaflux Corp. Ф луоресц ирующая жидкость Погружением, кистью или на- брызгиванием Свыше 15 Водой Порошок или жидкость У л ьтраф иолетовое Источник воды и электроэнергии
Проникающие жидкости, применяемые в промышленности.
Проникающие жидкости могут быть разделены на два вида,
цветные и флуоресцирующие. Цветные проникающие жидкости
представляют собой раствор красителя в жидкой среде. Цвет
красителя подбирается таким,, чтобы между проникающей
жидкостью и проявителем существовал резкий цветовой конт-
раст. В случае флуоресцирующей жидкости в проникающей
50
жидкой среде растворяется флуоресцирующее вещество. Все
нефтепродукты в некоторой степени флуоресцируют, поэтому
флуоресцирующие проникающие жидкости составляются на неф-
тяной основе. Для того чтобы увеличить флуоресценцию, исполь-
зуются специальные добавки. Поверхности, обработанные флу-
оресцирующими жидкостями, должны осматриваться при осве-
щении ультрафиолетовым светом с длиной волны приблизитель-
но 3650 А. Минимальная освещенность должна быть не менее
1,0—1,1 св! см2.
Техника проведения испытаний. Техника, используемая при
проведении испытаний с помощью проникающих жидкостей, по
существу одна и та же для всех видов. Основные этапы испы-
таний следующие:
1)	очистка поверхности изделия;
2)	нанесение на поверхность проникающей жидкости;
3)	удаление излишнего количества, проникающей жидкости;
4)	нанесение проявителя.
5)	исследование и расшифровка результатов.
При использовании проникающей жидкости, требующей по-
следующей эмульсификации, появляется необходимость в допол-
нительном этапе. Так как проникающая жидкость сама по
себе не смывается водой, то к ней после нанесения на испытуе-
мое изделие должен быть добавлен эмульгатор. Добавка
эмульгатора снижает качество проникающей жидкости.
Очистка поверхности. Совершенно необходимо, чтобы поверх-
ность изделия, предназначенного для испытаний, была сво-
бодна от грязи, волокон, воска, краски, жира, окалины или
любого другого вещества, которое может закупорить или
засорить отверстия на поверхности изделия. Проникающая
жидкость, удержанная на поверхности грязью или другими
веществами, может также привести к появлению ложных
дефектов.
Иногда для подготовки поверхности могут быть использо-
ваны жидкие растворители, паровая обдувка, паровое обезжи-
ривание и травление кислотой. Пескоструйная обработка для
очистки поверхности не рекомендуется, так как в процессе ее
небольшие поверхностные отверстия могут быть закупорены.
Окалина лучше всего удаляется обдувкой паром; при этом
существующие дефекты не будут закупориваться или перекры-
ваться. Полирование и некоторые другие виды поверхностной
обработки иногда приводят к перекрыванию выходных отвер-
стий поверхностных дефектов, поэтому такие операции не сле-
дует производить до исследования изделия с помощью прони-
кающей жидкости. Поверхностная обработка, включающая
применение концентрированных кислотных или щелочных рас-
творов, может снизить флуоресцентные характеристики флуорес-
цирующих проникающих жидкостей. Поэтому в том случае,
когда по условиям испытаний необходимо использовать флуорес-
51
цирующие жидкости, такую обработку надо делать после испы-
таний.
Нанесение проникающей жидкости. Контрольную жидкость
наносят на поверхность изделия погружением, набрызгиванием
или с помощью кисти. Из этих методов набрызгивание, безус-
ловно, дает возможность получить наиболее равномерное покры-
тие поверхности. Если поверхность изделия во время нанесения
проникающей жидкости нагрета, эффективность контроля по-
вышается, так как выходы дефектов на поверхность будут’
несколько расширены и проникновение жидкости в полость
дефекта облегчается. Скорость проникновения может быть
также увеличена путем повышения температуры жидкости.
Однако некоторые изготовители не рекомендуют нагревать
проникающие жидкости отдельных марок вследствие присущей
им относительно низкой температуры вспышки (см. табл. 2).
Иногда изделия нагревают и затем погружают в более холодную
проникающую жидкость; при этом в полости дефекта создается
зона пониженного давления. Перепад давлений, а также со-
трясения и вибрация образца способствуют вовлечению прони-
кающей жидкости в дефект.
Проникающая жидкость выдерживается на поверхности
изделия в течение времени, которое необходимо для того, чтобы
в дефект проникло количество жидкости, достаточное для по-
следующего проявления. Для обнаружения очень малых дефек-
тов возможно неоднократное нанесение проникающей жидкости
на одну и ту же поверхность.
В табл. 3 приведены типичные значения времени проник-
новения, рекомендуемые для проникающих жидкостей марок
«Dy-Chek» и «Zyglo». В табл. 4 представлены аналогичные-
величины для проникающей жидкости «Zyglo-Pentrex». Для
подбора правильного времени проникновения типовое заведомо
дефектное изделие подвергают обычным испытаниям; при этом'
время выдержки в проникающей жидкости должно быть строго>
определенным. Если признаки дефектов не проявились, испы-
тания повторяют при новом времени выдержки до тех пор, пока
контуры дефекта не станут вполне четкими. Если подобранное-
таким образом время проникновения будет для данной детали
слишком велико, следует применить другой метод.
Удаление излишней проникающей жидкости. Всякие следы
проникающей жидкости должны быть удалены с поверхности
контролируемого изделия; для этой цели используется водо-
проводная вода или растворитель, рекомендуемый или постав-
ляемый изготовителем жидкости. Удаление излишка прони-
кающей жидкости является крайне важной операцией. Слишком
энергичная отмывка может привести к удалению жидкости из.
дефектов; при недостаточной отмывке на поверхности оста-
нутся следы проникающей жидкости, что приведет к появлению-
ложных показаний и искажению истинной картины состояния,
со
Таблица 3
Время проникновения для двух марок проникающих жидкостей
Материал	Тип дефекта	Время проникновения в мин	
		Dy-Che к (1 5—30°С)	Zyglo
Любой	Закалочные трещины	3-5	2
	Шлифовочные трещины	7—10	10
	Усталостные трещины	7—10	10
Пластинки	Трещины	3-5	1-5
Керамика	Трещины	3—5	1-5
	Пористость	3-5	1—5
Алюминиевые сварные швы	Трещины и поры	3-5	10—20
Стальные сварные швы	Трещины и поры	7—10	10—20
Поковки	Трещины	7—10	20
	Закаты	7—10	20
Металлический прокат	Волосовины	7—10	10-20
Отливки, полученные лить-	Поверхностная пористость	3—5	3—10
ем под давлением	Холодные спаи	3—5	10—20
Отливки, полученные литьем в постоянные металличе- ские формы	Усадоиная пористость	3-5	3—10
Режущий инструмент с на- паянной твердосплавной пластинкой	Плохой спай	3-5	1-10
Режущий инструмент	Трещины в стали	3—5	1-10
	Трещины в твердосплавной пластинке	3—5	1—10
Таблица 4
Время проникновения в мин для жидкости
Zyglo-Pentrex
	Дефекты				
Материал	о	а о			о
	к	са		S	
	S	о	О. о	£	то
	е;				
	S	о Е	5 а	ТО Е	
Алюминий		5—15	30	30			30
Магний		15	30	30	—	30
Нержавеющая сталь		30	60	60	—	30
Латунь и бронза .				10	30	—	15	30
Твердосплавные пластинки 		—	—	—	5	30
Примечание. Время проникновения в ,	дефекты пластиков и стекла составляет				
1 5—30 мин					
поверхности. После отмывки изделие высушивают в струе горя-
чего воздуха или в струе чистого сухого воздуха, или же просто
в воздушной среде.
Если отмывка излишней проникающей жидкости требует
53.
Фиг. 23. Действие прояви-
теля:
/ — проявляющий порошок, 2 —
изображение дефекта, 3 — про-
никающая жидкость.
проявителя схематически
эмульсификации, то поверх слоя жидкости наносят специаль-
ный эмульгатор. Эмульгатор диффундирует в пленку жидкости,
делая ее растворимой в воде. Время, необходимое для завер-
тения этого процесса, определяет возможность с помощью
данной проникающей жидкости обнаруживать широкие и неглу-
бокие дефекты. Если время диффузии невелико, вероятность
выявления таких дефектов больше,
так как при возрастании времени
диффузии эмульгатор успевает про-
диффундировать в , жидкость, за-
полняющую эти дефекты. Эмульси-
рованная проникающая жидкость и
излишек эмульгатора смываются
водой.
Нанесение проявителя. Проя-
витель предназначен для вытягива-
ния проникающей жидкости из по-
лости дефекта в результате абсорб-
ции и распределения ее на поверх-
ности изделия в пределах неболь-
шой зоны вокруг дефекта. Действие
оказано на фиг. ,23. Распростране-
ние жидкости по поверхности вблизи дефекта увеличивает его
действительные размеры и дает возможность обнаружить не-
большие дефекты. Скорость фильтрации жидкости из дефекта
можно несколько увеличить путем нагревания детали, легкого
постукивания по ней или встряхивания.
Находят применение два вида проявителей: сухие и мокрые.
Оба вида обладают примерно одинаковой чувствительностью.
При использовании любого вида проявителя желательно нано-
сить его возможно более тонким слоем. Сухой проявитель пред-
ставляет собой тонко размолотый порошок; он может быть
нанесен с помощью распылительной груши или пульверизатора,
либо, если деталь имеет небольшие размеры, погружением
в порошок. Сухой порошок склонен к скоплению в углублениях
поверхностей сложного профиля.
Мокрый проявитель состоит из порошка, взвешенного в ле-
тучей или быстро испаряющейся жидкости; он может быть
нанесен на поверхность изделия погружением либо набрызгива-
нием. В процессе нанесения мокрого проявителя должны быть
соблюдены определенные правила. Если проявитель наносится
слишком экономно, то он не покроет всю поверхность, и его
действие будет недостаточно эффективным. При обильном на-
несении проявителя можно смыть проникающую жидкость.
Мокрый проявитель рекомендуется сушить в струе теплого
воздуха, чем достигаются две цели: испарение жидкого раство-
рителя и нагревание изделия, способствующие просачиванию
проникающей жидкости к поверхности.
54
Осмотр и расшифровка результатов. Пятый этап испытаний,
осмотр и расшифровка результатов — наиболее важная опера-
ция. Время между проявлением и осмотром может изменяться
от нескольких минут до нескольких часов. Размер минималь-
ного выявляемого дефекта определяется видом проявителя и
толщиной покрытия. Если используется толстое покрытие,
малые дефекты не будут обнаружены, так как они не содержат
количества жидкости, достаточного для того, чтобы очертания
дефекта проступили через слой покрытия. Если используется
сухой проявитель, то будут выявлены даже самые тонкие и
мелкие несплошности. Характер индикаций зависит от вида
используемой проникающей жидкости. При использовании
флуоресцирующей проникающей жидкости дефекты проступают
в виде светящихся желто-зеленых точек или линий на темном
фоне. Если применяются подкрашенные жидкости, наличие де-
фектов устанавливают по появлению красных точек или линий
на белом фоне. При керосиновой пробе с мелом керосин окра-
шивает белый фон в темный цвет; при керосиновой пробе
с песком керосин вызывает потемнение поверхности.
Дблэн [2] использовал контроль с помощью проникающих
жидкостей для обнаружения мельчайших усталостных трещин
в образцах котельной стали. Он применил влажный проявитель
из обычных свинцовых белил, разбавленных минеральным мас-
лом с очень низкой вязкостью, чтобы задержать его высыхание.
Проявитель обычно наносят кистью из тонкой верблюжьей
шерсти, причем заключительные мазки проводят в направле-
нии, перпендикулярном к оси ожидаемых трещин. Несколько
лучшее покрытие можно получить набрызгиванием. Долэн со-
общает, что использование такого раствора позволяет обнару-
живать трещины длиной приблизительно 0,8 мм по потемнению
проявителя при просачивании наружу раствора из трещин.
В Миннесотском университете этот метод применен при
испытаниях на усталость вращающихся стержней, причем на-
блюдались трещины порядка 0,13 мм. Проявитель наносили
на образцы, нагруженные изгибающей нагрузкой переменного
знака. При минимальном числе циклов переменного напряже-
ния не удалось обнаружить никаких признаков дефекта в об-
разце. Большим преимуществом этого метода является то, что
проявитель можно наносить заранее и затем визуально иссле-
довать образец через равные промежутки времени в течение
всего процесса испытаний на усталость. Во время испытаний
покрытие на образце должно быть защищено от грязи и воло-
кон. Сравнительные испытания показывают, что постоянное
нанесение покрытия облегчает обнаружение усталостных тре-
щин на ранней стадии их возникновения в ходе усталостных
испытаний. Практический способ изучения роста трещин за-
ключается в том, чтобы установить расположение точек рас-
трескивания и затем изготовить пластические слепки для
55
исследования при большом увеличении. Рост трещин ^ожно
проследить с помощью ряда слепков, снятых последовательно
через некоторые промежутки времени. При использовании свин-
цовых покрытий должны быть приняты соответствующие меры
предосторожности.
Расшифровка характерных рисунков, указывающих на тип
дефекта, имеет крайне важное значение. Трещине или несли-
тине соответствует линейное распределение проникающей жид-
кости. Точки указывают на раковины или пористость. Ряд
точек указывает на узкую трещину, неслитину или частично
заваренную морщину на отливке. Грубую оценку величины
дефекта можно сделать по ширине индикации или по скорости
распространения выделяющейся из полости дефекта жидкости.
Правильность расшифровки полученных результатов зависит
от накопленного опыта работы; поэтому изделия должны
осматривать только опытные контролеры. При этом следует
тщательно придерживаться инструкций фирмы-изготовителя.
Пробные образцы. Для приобретения опыта работы с про-
никающими жидкостями изготовляют пробные образцы. Пла-
стину из закаленной в масле инструментальной стали нагре-
вают приблизительно до температуры 815 °C и затем быстро
охлаждают в воде. При этом на поверхности пластины возни-
кает большое число трещин. Фирмой Магнафлюкс Кор-
порейшн предложен другой вид пробного образца размером
50x75x3,2 мм из алюминия марки 2024. Образец нагревают
до 510 °C и затем быстро охлаждают в холодной воде, что
вызывает возникновение ряда закалочных трещин .вокруг
участка с наиболее высокой температурой и вдоль образца.
В материалах, опубликованных Центральным Национальным
советом по прикладным научным исследованиям в Голландии,
Таблица 5
Размеры трещин образца по фиг. 24, выявленных с помощью жидкости
Met-L-Chek
Отверстие	Размер трещин в мм				Отверстие	Размер трещин в мм			
	I	II	Ш	IV		I	II	ш	IV
А1	17,1	5,8	10,9	4,6	В1	4,0	5,3	4,2	5,0
А2	2,7	5,7	2,5	2,8	В2	3,6	3,8	3,9	3,4
АЗ	1,9	1,7	1,9	1,8	ВЗ	2,9	2,8	2,8	2,5
А4	2,0	2,0	2,5	1,0	В4	1,0	2,6	2,5	2,5
А5	1,3	1,5	1,3	1,4	В5	0,5	2,0	1,0	1,9
А6	0,5	1,4	0,8	1,5	В6		0,5	2,0	1,6
А7	1,0	0,5	0,5	0,5	В7	2,6	1,5	1,9	1,5
А8	1,0	0,6	1,2	1,4	В8	2,0	1,3	1,5	1,9
А9	1,3	0,7 •	0,4	1,5	В9	0,5	1,0	1,3	1,2
А10	1,0		0,2	1,0	В10	0,5	1,5	1,0	1,0
.56
описан пробный образец, на котором была получена серия
трещин от крайне малых до относительно больших (фиг. 24).
Для этого стальной конусообразный стержень с 10 поперечными
отверстиями по всей длине нагружали крутящим моментом до.
03,7 03.7 03,7 03.5 033 0 3.8 03,8 0 3,9 0 3,9 0 3.9
возникновения усталостных трещин. Ввиду конусности стержня
величина сдвигающих напряжений по его длине, а также на
кромках отверстий возрастала. В количественном отношении
это увеличение зависит от отношения диаметра отверстия к диа-
метру стержня. В результате разницы напряжений размеры
возникающих трещин оказались различными (табл. 5). Отвер-
стия пронумерованы от 1 до 10 в порядке убывания напряжений.
Кромки отверстий помечены буквой А для одной стороны, бук-
вой В — для другой стороны стержня.
Оборудование. Иногда в промышленности для контроля
с помощью проникающих жидкостей используется полностью,
механизированное автоматическое или полуавтоматическое обо-
рудование. В работе [3] описано механическое приспособление
для фотоэлектрического контроля поверхности изделий, при
испытании которых использовались флуоресцирующие жидко-
сти.
Техника безопасности. Прежде всего необходимо тщатель-
ное выполнение инструкций фирм-изготовителя по обращению
с данным видом проникающей жидкости. Некоторые из исполь-
зуемых жидкостей летучи, другие имеют низкую температуру
вспышки. Пары жидкостей могут быть токсичны; поэтому во
всех случаях должна быть обеспечена вентиляция рабочих
мест.
Проникающие жидкости на нефтяной основе могут вызвать
раздражение, поэтому руки следует защищать, например,
неопреновыми перчатками. Попавшую на кожу и одежду
жидкость удаляют мыльной водой. Сухие проявляющие
57
порошки обычно нетоксичны, но принять меры, предотвращаю-
щие их вдыхание, следует. Ультрафиолетовое излучение не
представляет вреда для глаз и кожи; однако непосредственное
воздействие его на глаза может вызвать слезотечение и ощуще-
ние облака или дымки перед глазами, поэтому источники излу-
чения надо экранировать.
Радиоактивные проникающие жидкости. Метод обнаружения
поверхностных трещин с помощью радиоактивных веществ
описан Мелем [4]. Образец погружают в радиоактивную жид-
кость и подвергают воздействию давления, достаточного для
проникновения жидкости в полость трещин. После очистки
поверхности изделия количество жидкости, удержанной дефек-
тами, определяют фотографическим способом или при помощи
детектора радиоактивных излучений. Описание контроля с ис-
пользованием радиоактивной жидкости приведено также в ра-
ботах [5] и [6].
Мейкин [7] для определения пористости магниевых сплавов
использовал масло, содержащее радиоактивный изотоп Pd109.
Изделия покрывают горячим маслом, которое заполняет поры,
имеющие выход на поверхность. С поверхности изделия затем
снимают авторадиограммы. Распределение плотности почерне-
ния фотопленки указывает на размер пор в поверхностном
слое изделия. По этому методу можно обнаружить открытые
поры площадью 1,5-10~5 см2 и глубиной 0,4 мм.
Фильтрующиеся частицы. Контроль с помощью фильтрую-
щихся частиц [8]—[10] можно использовать для выявления
дефектов в пористых поверхностях таких веществ, как не-
обожженная высушенная глина, некоторые виды обожженной
керамики, бетон, некоторые металлы, полученные методами
порошковой металлургии, графит и частично спеченные кар-
биды вольфрама и титана. По этому методу на пористую
поверхность наносят жидкость, содержащую взвешенные ча-
стицы. Так как дефектная зона имеет большую площадь погло-
щения, то жидкость в этой зоне поглощается в большей степени.
Взвешенные частицы, размер которых превышает размер от-
верстия дефекта, фильтруются и отлагаются на поверхности,
становясь видимыми; для достижения большей контрастности
можно использовать частицы, содержащие флуоресцирующий
пигмент.
Иногда в раствор вводится краситель, что дает возможность
проследить протяженность дефекта по окрашиванию боковых
стенок трещины. При этом требуется, чтобы поверхность была
пористой; однако даже на очень пористом материале диффе-
ренциация поглощения выражена недостаточно ярко для обна-
ружения дефекта; например, Штаатс [10] указывает, что порис-
тость шлифовального круга в 24,5 отверстия на линейный санти-
метр не обеспечивает достаточной дифференциации поглощения.
Этот метод применим, начиная с пористости в 40 отверстий на
Б8
линейный сантиметр. Жидкости, используемые при контроле
по методу фильтрующихся частиц, представляют собой легкие
продукты перегонки нефти, содержание во взвешенном состоя-
нии частицы, размер которых изменяется в широких пределах
в микронной области.
Контроль с помощью проникающих жидкостей можно ис-
пользовать и для обнаружения сквозных отверстий. В этом
случае проникающую жидкость наносят на одну сторону изде-
лия, а другую сторону исследуют на появление красящего или
флуоресцирующего вещества, содержащегося в проникающей
жидкости. Для более четкого выявления дефектов может быть
использован проявляющий порошок. Время проникновения за-
висит от вида и толщины испытываемого изделия. Крупная
пористость на пути утечки замедляет процесс проникновения
жидкости вследствие уменьшения капиллярного действия.
Этот метод' особенно эффективен в применении к тонкостен-
ным сосудам, но может быть также использован для контроля
стенок толщиной до 6,3 мм. Метод позволяет обнаруживать
дефекты в тонкостенных сосудах, не выявленные при обычных
воздушных испытаниях с избыточным давлением от 0,35 до
1,4 ат. На результатах подобных испытаний вредно сказы-
вается увлажнение и загрязнение отверстий.
ГЛАВА 5
ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Методы проведения термических испытаний в принципе
•сводятся к тому, что к испытуемому изделию подводится тепло
и затем измеряется либо наблюдается визуально результирую-
щее распределение температур. Дефекты изделия искажают
нормальное температурное поле на поверхности изделия или
внутри него. Тепло может быть подведено путем непосредствен-
ного контакта с источйиком тепла, индукционным способом или
при помощи источников инфракрасного излучения. Результи-
рующее распределение температур может быть обнаружено
с помощью различных термочувствительных веществ и реги-
стрирующих приборов; например, можно использовать воск,
стеарин, отложения инея при замораживании, термостолбики,
термолаки, термокраски, температурные фосфоры, пленки, чув-
ствительные к инфракрасному излучению, термопары, боло-
метры, термометры сопротивления, фотопроводящие материалы,
а также тонкие нефтяные пленки, меняющие свой цвет в за-
висимости от температуры, характерные окислы, образующиеся
при нагревании, и т. д.
Изменение температуры тела связано с отводом или под-
водом тепловой энергии к данному телу. Этот перенос энергии
в общем случае сопровождается и другими эффектами в число
которых могут входить: изменение размеров электропровод-
ности, электродвижущей силы, давления в замкнутой системе,
интенсивности и максимальной длины волны испускаемого из-
лучения. Эти эффекты могут также включать изменение физи-
ческого состояния вещества или изменение цветовой окраски,
обусловленное химической реакцией или молекулярными пере-
мещениями, а также изменение физических свойств, таких как
твердость, упругость и кристаллическая структура. Для каче-
ственной оценки этих эффектов были предложены различные
способы; некоторые из них нашли применение в области нераз-
рушающих испытаний.
Испытание на «морозные узоры». При контроле тепловыде-
ляющих элементов ядерного реактора широко применяется так
называемое «испытание на морозные узоры» (frost test). Тепло-
.60
выделяющий элемент ядерного реактора состоит из сердечника,
материалом которого служит делящееся вещество, и герметич-
ной оболочки из защитного материала. Плотный контакт между
сердечником и оболочкой достигается путем диффузии либо
посредством третьего промежуточного вещества — контактного
подслоя. Испытание на морозные узоры позволяет выявить те
зоны, где теплоотвод от сердечника к оболочке нарушен вслед-
ствие плохого контакта либо наличия какого-либо дефекта [1].
Наиболее пригодными материалами для проведения испытаний
такого рода являются дифенил и аценафтен (точка плавления
93,3 °C).
При проведении этих испытаний очехлованный топливный
элемент предварительно обрызгивают 14%-ным раствором аце-
нафтена или 40%-ным раствором дифенила в четыреххлористом
углероде СС14; в результате этого на поверхности оболочки
образуется «иней». Затем элементы на конвейере передвигают-
ся с постоянной скоростью через зону индукционного нагрева;
при этом во внешних частях элемента, в частности в оболочке,
наводятся вихревые токи. Основная доля тепла через оболочку
и контактный подслой передается урановому сердечнику, кото-
рый служит термической емкостью. При' таком направлении
переноса тепла зоны плохого контакта между сердечником и
оболочкой, а также дефектные зоны представляют тепловые
барьеры; оболочка над этими зонами нагревается выше тем-
пературы плавления инея. Иней плавится, обнажая гладкую
поверхность оболочки, причем контуры обнажившегося участка
совпадают с очертаниями дефектной зоны.
После остывания элемента картина, полученная на его
поверхности, не меняется; визуальное исследование может быть
приведено впоследствии в удобное время, даже по истечении
нескольких дней. Результаты типичного испытания на мороз-
ные узоры показаны на фиг. 25. Для испытания цилиндрических
тепловыделяющих элементов можно использовать кольцевой
индуктор, для плоских — индуктор прямоугольной формы. При
проведении испытаний необходимо точно подобрать количество
тепла, подводимое к изделию. Если мощность индуктора слиш-
ком велика, то органические отложения полностью расплав-
ляются; в противоположном случае иней не расплавится даже
над дефектными зонами. Необходимо также точно разместить
изделие в обмотке индуктора. Установлено, что обязательным
условием получения воспроизводимых результатов является
тщательная регулировка начальной температуры.
Испытание на морозные узоры в отношении выявляемое™
дефектов имеет определенные ограничения. Дефекты должны
представлять собой термическое сопротивление, величина кото-
рого достаточно велика для того, чтобы температура поверх-
ности над дефектом поднялась выше точки плавления аценаф-
тена. Дефект, поперечный размер которого равен 2,5 мм, может
61
составлять лишь малое термическое сопротивление, даже если
его протяженность равна 25 мм. Большие зоны плохого сцеп-
ления между сердечником и оболочкой, которые содержат,
однако, небольшие участки хорошего контакта, также не явля-
ются значительным термическим сопротивлением. При этих
испытаниях можно обнаруживать дефекты площадью прибли-
зительно 65 мм2 с минимальной
Фиг. 25. Результаты испытаний на,
морозные узоры.
шириной ИЛИ ДЛИНОЙ 5 мм.
В практике имелись -случаи,
когда даже большой дефект не
представлял собой значительно-
го термического сопротивления.
К сожалению, этот метод испы-
таний не может рассматриваться
как вполне надежный. Более мел-
кие термические сопротивления
могут быть в принципе обнару-
жены посредством увеличения
подводимой мощности; однако в
случае превышения некоторого
критического уровня мощности
можцо получить ложные показа-
ния вследствие смещения тепло-
выделяющего элемента с цент-
рального положения при прохож-
дении через индуктор либо вслед-
ствие эксцентричного расположе-
ния уранового сердечника в обо-
лочке.
Термография. Более чувствительным методом испытаний
является термографический метод, в котором используются
температурные фосфоры. Поведение этих фосфоров вблизи
температуры перехода характерно тем, что местные небольшие
увеличения температуры проявляются как относительно более
темные области. Д-р Урбах [2] из фирмы Истмэн Кодак опубли-
ковал характеристики большого числа подобных термочувстви-
тельных фосфоров; например, фосфор цинк-сульфид кадмия,
облученный ультрафиолетовым светом, изменяет свою эмиссион-
ную способность на 20%, когда его температура изменяется
на 2 °F (~ 1,1 °C). Максимальную чувствительность этот фосфор
имеет в диапазоне температур от 4,5 до 54,5 °C. Эти фосфоры
также чувствительны к интенсивности и длине волны ультра-
фиолетового излучения; оптимальная длина волны для такого
фосфора составляет 3650 А. Существует также оптимальное
значение интенсивности ультрафиолетового излучения.
Фосфор наносится на испытуемое изделие в виде краски;
используемое при этом связующее вещество не должно флуорес-
цировать под воздействием ультрафиолетового облучения, так
62
как флуоресценция может исказить температурную характери-
стику фосфора-пигмента. Этому требованию отвечает связую-
щее вещество марки Beetleware 227, представляющее собой
жидкий пластик. Это вещество имеет следующий состав: жид-
кий пластик 680 Г, бутанол 75 см3 и ксилен 45 см3. Пигмент
и связующее вещество смешивают в весовой пропорции 1:1.
Эта смесь наносится кистью или набрызгивается на изделие.
Максимальная толщина слоя фосфора на изделии состав-
ляет 0,025 мм. Если применить более толстое покрытие, то
чувствительность испытаний снижается, так как краска является
тепловой изоляцией. После нанесения слоя фосфора контро-
лируемое изделие должно быть нагрето и затем охлаждено;
это осуществляется погружением в горячую и холодную воду
при температуре 54,5 и 4,5 °C. Для нагревания можно исполь-
зовать также индукционный или инфракрасный нагреватель;
в этом случае изделие охлаждают в потоке воздуха. Недостат-
ком этого метода испытаний является обратимость изменения
цвета: получить стабильную картину, как при испытаниях на
морозные узоры, невозможно. К недостаткам этого метода
относится и то обстоятельство, что покрытие необходимо облу-
чать ультрафиолетовым светом. В случае, если нужна стабиль-
ная регистрация, приходится использовать кинокамеру или
некоторые виды фотоэлементов.
Данный метод испытаний был применен для выявления
границ зон образования интерметаллических соединений и зон
сплавления [3]. Ультрафиолетовая лампа мощностью 250 вт,
о
снабженная фильтром для оптимизации длины волны (3650 А),
была установлена на расстоянии 610 мм от образца под
углом приблизительно 30°. Напротив образца на расстоянии
760 мм была установлена 16-миллиметровая кинокамера. При
съемке со скоростью 8, 16 и 22 кадра в секунду использовалась
супер-панхроматическая пленка XX. В этом частном случае
применялась следующая методика эксперимента. На обратную
сторону образца в течение нескольких секунд был направлен
поток холодной воды (0°С); при этом приблизительно уста-
навливалось температурное равновесие. При этой температуре
цвет покрытия был ярким и ровным. Затем поток холодной
воды отводили, и на образец быстро направляли струю горячей
воды (54,5 °C). В течение нескольких секунд образец находился
в тепловом равновесии с горячей водой. Во время короткого
переходного периода интенсивная флуоресценция дольше со-
хранялась над участками с плохой теплопроводностью. Затем
эту процедуру повторяли в обратном порядке, с внезапной
заменой горячего потока холодным. В этом случае участки
с плохой теплопроводностью немедленно становились видимыми
как темные полосы или пятна на быстро светлеющем фоне.
Цветовые изменения фосфора наблюдались визуально и реги-
стрировались с помощью кинокамеры.
63
Радиевая корпорация США разработала новые термические
фосфоры высокой чувствительности. На фиг. 26 показано влия-
ние температуры на яркость свечения одного из фосфоров этой
фирмы при различных уровнях интенсивности ультрафиолето-
вого освещения. Этой же фирмой разработан лак, обладающий
минимальной собственно^
Температура
Фиг. 26. Характеристики термогра-
фического фосфора (цифры на
сплошных линиях — единицы осве-
щенности; на штриховых — чувстви-
тельность) .
пературе в пределах допуска ±1%
флуоресценцией. Для на-
несения фосфоров на по-
верхность изделия реко-
мендуется использовать
пульверизатор.
Термические испыта-
ния с помощью плавких
покрытий. К этим мето-
дам принадлежат терми-
ческие испытания с по-
мощью термокарандашей
и термолаков. Термока-
рандаши — это термо-
чувствительные цветные
мелки, имеющее опреде-
ленные калиброванные
точки плавления. В на-
стоящее время промыш-
ленностью выпускается
60 различных видов тер-
мокарандашей, охваты-
вающих диапазон от 45 °C
до 1110 °C; каждый вид
термокарандаша соответ-
ствует определенной тем-
от номинальной температу-
ры. Как правило, при контроле с помощью термокарандашей
на испытуемое изделие в наиболее характерных точках нано- *
сятся риски термокарандашом соответствующего вида. При
нагревании карандашные риски плавятся по мере того, как до-
стигается температурный предел для термокарандаша данного
вида. В процессе нагревания метки постепенно меняют свой цвет;
это изменение цвета либо изменение цветовой интенсивности
никогда не следует понимать как указание на определенное из-
менение температуры. Метка при достижении некоторого фикси-
рованного температурного предела плавится, и именно этот
переход от твердого состояния к жидкому является единствен-
ным температурным сигналом, который следует принимать во
внимание. В некоторых случаях такая простейшая техника ис-
следования может оказаться неудовлетворительной вследствие*
испарения метки при длительном нагревании или из-за того, что
при высокой температуре поглощение вещества метки поверх-
64
ностью изделия приводит к ее ослаблению и делает результаты
наблюдения сомнительными. В таких случаях рекомендуется
наносить риски на изделие в процессе нагревания через равные
промежутки времени; очевидно, что термокарандаш будет ос-
тавлять сухой след при температуре .ниже предельной и жидкую
полосу, когда температурный предел достигнут или превышен.
На быстро вращающихся объектах невозможно рассмотреть,
оставляет ли термокарандаш сухую или расплавленную метку.
Однако после небольшой практики оператор быстро обучаете#
распознавать плавное скольжение карандаша при соприкосно-
вении с поверхностью, достаточно горячей для расплавления
карандаша в точке контакта, от перемещения с трением по
более холодной поверхности. Если кончиком карандаша каса-
ются вращающейся поверхности короткое время и без сильного
нажима, то тепло, вызванное трением, достаточно мало и им
можно пренебречь. Другой способ заключается в том, что
кончик карандаша после соприкосновения слегка обрабатывают
наждачной бумагой и затем определяют, расплавился каран-
даш или нет.
Описанный способ можно также применять при исследо-
вании раскаленных излучающих поверхностей, когда светя-
щийся фон затрудняет определение момента расплавления
метки. Излучающая поверхность при интенсивном освещении
внешним источником кажется относительно более темной; это
явление можно использовать для распознавания температурного
сигнала.
Регистрация максимальных температур, которые достига-
ются в процессе обработки изделия или при его работе, может
быть осуществлена путем нанесения серии соответствующих
рисок на исследуемое изделие или поверхность до начала на-
гревания.
Распределение температур и линии изотерм для таких
поверхностей, как стенки топок, литейных ковшей, печей для
обжига цем-ента и т. д., могут быть установлены путем исполь-
зования соответствующего набора термокарандашей; для этого
на исследуемую поверхность наносят линии, образующие опре-
деленный рисунок (серия параллельных или радиально расхо-
дящихся линий, концентрические окружности и др.). Тепло-
проводность вдоль поверхности изучают путем наблюдения
последовательности расплавления подобранных определенным
образом рисок.
Не следует допускать пересечения рисок или линий, так как
это отрицательно сказывается на точности метода. Кроме того,
термокарандаши в области температур свыше 315 °C плохо
работают в сильно восстановительных средах, таких, как чистый
водород, аммиак или водяной газ.
Применение термокарандашей дает хорошие результаты при
индукционном нагреве и в ионизированном воздухе, а также
3 Испытания без разрушения	65
в присутствии статического электричества вблизи электриче-
ского оборудования, где использование электрических методов
измерения температур часто приводит к ошибкам.
Термолак (Tempilaq) —это термочувствительный лак, со-
стоящий из веществ, весьма близких по составу к веществу
термокарандашей. Эти вещества взвешены в химически неак-
тивной летучей невоспламеняющейся жидкости. Лак наносят на
изделие кистью, погружением или набрызгиванием. После вы-
сыхания лак образует матовое непрозрачное покрытие. При
нагревании изделия до температуры плавления лака высушен-
ный лак плавится; охлаждаясь, расплавленный лак застывает,
образуя характерную глянцевитую кристаллическую или про-
зрачную поверхность, по внешнему виду резко отличающуюся
от первоначального покрытия. Лаковое покрытие наносят до
начала нагревания. Этот метод особенно эффективен для глад-
ких поверхностей, таких как .поверхности стекла, пластиков или
полированного металла.
Выпускаемые в настоящее время термочувствительные стол-
бики, действие которых основано на том же принципе, рассчи-
таны на работу в диапазоне температур от 45 °C до 1370 °C и
предназначены для использования в тех случаях, когда наблю-
дать за изделием приходится с некоторого расстояния, напри-
мер при операциях термообработки. Термостолбики размещают
на изделии до начала нагревания.
Термочувствительные пигменты. Термочувствительные пиг-
менты, известные под торговой маркой «Термоколор», охваты-
вают диапазон температур от 40 до 1600 °C. Эти пигменты
изменяют первоначальную окраску при достижении определен-
ной температуры. Новые цвета не являются оттенками перво-
начального цвета, а резко отличаются от него и поэтому легко
различимы. Цвет некоторых пигментов «Термоколор» изме-
няется однократно, других — многократно; например, один из
пигментов «Термоколор» имеет розовую окраску при комнатной
температуре, становится светло-голубым при 65 °C, желтым при
145 °C, черным при 175 °C и оливково-зеленым при 340 °C.
Большинство цветовых изменений устойчиво, однако некоторые
пигменты при охлаждении под воздействием атмосферной влаги
могут принять первоначальную окраску.
Паспортная температура, указанная изготовителем для
данного пигмента, вполне соответствует действительной, если
время, измеренное от начала нагревания до изменения цвета,
составляет приблизительно 30 мин. Если цвет меняется раньше,
то действительная температура будет несколько выше паспорт-
ной, если позже, то несколько ниже.
В особых случаях, требующих быстрого нагрева (время
нагрева от 5 до 30 сек), сведения о температуре цветового пере-
хода могут быть получены дополнительно. При испытаниях
с 30-минутым нагревом точность определения температуры со-
66
ставляет ±5 °C, т. е. является вполне приемлемой для всех
практических целей. Большинство пигментов «Термоколор» не
блекнут при остывании, другие блекнут настолько медленно,
что даже после остывания можно определить достигнутые тем-
пературы. Однако вследствие выравнивания температурного
градиента из-за теплопроводности рисунок, образованный изо-
термическими линиями, может продолжать изменяться даже
Фиг. 27. Применение термочувствительных пигментов «Термоко-
лор» (температура указана в °C):
1 — красный, 2 — желтый, 3 — зеленый, 4 — синий.
после того, как нагревание прекращено. Поэтому при проведе-
нии точных исследований может оказаться необходимым «за-
морозить» цвета быстрым охлаждением.
Краски «Термоколор» наносят кистью или набрызгиванием.
Изделие должно быть очищено от грязи и масла и промыто
спиртом. Краски «Термоколор» работают лучше всего на по-
верхностях без покрытия; их можно использовать для покрытия
металлов, керамических материалов, кирпичных изделий, твер?
дой изоляции, фарфора, пластиков, дерева и стекла. Покрытие
высыхает спустя несколько минут, но чтобы исключить пузы-
рение и отслаивание, рекомендуется время высыхания продлить
до получаса. Краску «Термоколор» удаляют спиртом, щеткой
с горячей водой, скребком либо пескоструйным аппаратом. Если
надо облегчить удаление краски с изделия, то перед покраской
его поверхность следует хорошо протереть слегка промасленной
тряпкой; в этом случае накладывается особенно тонкое покры-
тие.
Специальные пигменты «Термоколор» могут быть исполь-
зованы для испытаний в среде водяного пара, углекислого газа,
сернистого газа, аммиака и сероводорода. Пример применения
3* 67
рении теплопроводности по
Теплопроводность воздуха в
Время
Фиг. 28. Время реакции пигмента
в зависимости от температуры.
дефект (например плоская
интервалами, по истечении
«Термоколора» показан на фиг. 27. При использовании «Термо-
колора» для неразрушающих испытаний полезно знать скорость
изменения цвета; на фиг. 28 представлена зависимость времени
реакции пигмента «Термоколор» от температуры.
Для изделий небольшой толщины, например для листовых
материалов, полезные данные могут быть получены при изме-
вертикали к поверхности изделия.
100 раз меньше теплопроводности
стали; следовательно, щель (рас-
слой) шириной 0,025 мм в сталь-
ном листе эквивалентна дополни-
тельной толщине 2,5 мм. Для
выявления дефектов такого рода
с успехом может быть использо-
ван «Термоколор». Изделие по-
крывают с одной стороны пигмен-
том и равномерно подогревают
с противоположной стороны.
Цвет на окрашенной стороне из-
меняется в бездефектной зоне
быстрее, чем в зоне, где имеется
щель). Наблюдая за временными
оторых происходит изменение ок-
раски, и оценивая равномерность этого изменения, можно сде-
лать выводы о наличии дефектов в материале. Этот метод может
быть также применен для оценки качества сцепления между
стальными цилиндрами и насаженными на них медными коль-
цами. Для этого втулку окрашивают с внешней стороны соот-
ветствующим пигментом. После высыхания изделие заполняют
горячим маслом. Спустя 30 сек цвет на внешней стороне изме-
няется. Если это изменение равномерное, сцепление между ци-
линдром и кольцами оценивается как хорошее; если же измене-
ние окраски происходит неодновременно, то те области, где из-
менение цвета задерживается, считаются с некоторой степенью
вероятности дефектными.
С помощью «Термоколора» можно выявить характер и
интенсивность распространения тепла в металле, прилегающем
к сварному шву. Очертания изотерм вдоль линии сварного шва
дают представления о том, насколько равномерно шел процесс
сварки.
Если изотермы неровны либо имеют выпуклость на
одной стороне шва, это доказывает, что металл шва окислился.
Когда по условиям сварки требуется предварительный подогрев,
пигменты «Термоколор» служат для контроля и регистрации
равномерности и интенсивности нагрева.
«Термоколор» используют также для контроля отливок.
В этом случае пигмент наносят на одну сторону отливки, а про-
тивоположную сторону равномерно нагревают. Когда темпера-
68
тура поверхности достигает определенного уровня, пигмент
меняет свою окраску. Там, где в отливке имеется пористость,
изменение окраски происходит с запозданием. По этому методу
определяют не только наличие дефектов, но также их распо-
ложение и приблизительный размер.
Инфракрасная фотография. Область инфракрасного излу-
чения начинается от границ видимого спектра, хотя четкая
грань между этими двумя видами излучения отсутствует. По
мере, увеличения длины волны инфракрасное излучение пере-
ходит в тепловое излучение, а затем — в радиоволны. Хотя
область инфракрасного излучения имеет на волновой шкале
достаточную протяженность, в отношении фотографии интерес
представляет лишь узкая зона вблизи красного света. Излу-_
чение, длина волны которого находится в этой зоне, может быть
зарегистрировано на фотопластинках и фотопленке, специаль-
ным образом подготовленных.
Максимальная длина волны регистрируемого на фотопла-
стинке излучения составляет около 1350 жк, но на практике
используется лишь область между 700 и 860 мк. Фотопленка
и фотопластинки для фотографирования в инфракрасных лучах
настолько же просты и надежны в обращении, как и большин-
ство обычных фотографических материалов. Чувствительность
пленки к инфракрасному излучению достигается путем обра-
ботки эмульсии специальными красителями. Инфракрасные
фотоматериалы, выпускаемые в настоящее время, могут быть
использованы таким же путем, как любой панхроматический
материал. Хотя чувствительность этих пластинок и пленок
допускает их применение при съемке с рук, наилучшая чет-
кость достигается при использовании штатива и по возможности
минимальном открытии отверстия диафрагмы.
Качество инфракрасных фотоснимков в большой степени
зависит от правильного выбора экспозиции; фотографическая
широта этих материалов меньше, чем широта обычных пан-
хроматических пленок. В случае необходимости пленка, чув-
ствительная к инфракрасным лучам, может быть экспонирована
без светофильтра, но при этом полученный фотоснимок будет
подобен снимку, отпечатанному с пленки, чувствительной к го-
лубым лучам. Качество снимка будет менее удовлетворитель-
ным, чем при использовании ортохроматической или панхрома-
тической пленки.
Между техникой инфракрасной фотографии и методами
обычной фотографии, использующей видимый свет, нет суще-
ственного различия. Существуют, однако, некоторые правила,
которых необходимо придерживаться при съемке. Инфракрас-
ные лучи вследствие большей, чем у видимых лучей, длины
волны после прохождения многолинзовой оптической системы
не фокусируются в той же плоскости, что и видимые лучи.
Поэтому необходимо несколько увеличить расстояние от пленки
/ 69
до объектива, чтобы скорректировать разницу фокусных рас-
стояний для инфракрасных и видимых лучей. Инфракрасная
фотография с успехом используется в криминалистике, микро-
фотографии, ботанике и других областях.
Особую ценность инфракрасная фотография представляет
для исследования распределения температур горячих тел, тем-
пература которых несколько ниже температуры красного свече-
ния, таких как остывающие слитки и отливки, печи, детали
двигателей, котлы высокого давления и др. Следует отметить,
что при температуре фотографируемого объекта ниже 400 °C
время экспозиции оказывается весьма большим; так, при темпе-
ратуре 330 °C и диафрагме 5,6 время экспозиции составляет
6 ч. При использовании сверхчувствительных пластинок экспо-
зиция уменьшается вдвое или на одну треть. Фотографировать
горячие изделия надо в совершенно темной комнате.
Фоточувствительные полупроводниковые приборы и инфра-
красная радиометрия. Фирмой Истмэн Кодак разработаны де-
текторы «Кодак Эктрон», чувствительные к инфракрасному из-
лучению. В этих детекторах роль чувствительного элемента
играет тонкий слой сульфида свинца, напыленного на стекло.
Согласно данным фирмы, чувствительность детекторов
«Эктрон» в 10 000 раз превышает чувствительность других де-
текторов, использующих такой же материал. Рабочий диапазон
длин волн детектора «Эктрон» от 0,25 до 3,5 мк. Характери-
стическая кривая, показанная на фиг. 29, имеет максимум при
длине волны 2,2 мк. При пониженных температурах детектор
более чувствителен.
Сульфид свинца является фоточувствительным полупровод-
ником.
Фоточувствительные проводники или фотопроводники харак-
теризуются различной электрической проводимостью в темноте
и на свету. В темноте фотопроводники фактически являются
изоляторами, но в присутствии света они становятся довольно
хорошими проводниками.
Полупроводники проявляют различную чувствительность по
отношению к излучению разных длин волн. Сульфид свинца,
например, в инфракрасной области имеет максимальную чувст-
вительность при длине волны 2 мк, однако на практике он мо-
жет быть использован в видимой и ультрафиолетовой областях
электромагнитного спектра.
Кроме избирательной спектральной чувствительности, детек-
торы «Эктрон» характеризуются высоким отношением «сигнал-
помеха» и отрицательным коэффициентом сопротивления, т. е.
уменьшением сопротивления при повышении температуры, что
составляет величину порядка 2% на градус Фаренгейта; по-
стоянная времени этих детекторов лежит в диапазоне от 400’
до 1000 мксек, темновое сопротивление составляет от 0,2 до
0,8 Мом. Мощность сигнала может быть увеличена в случае
70
применения оптической системы, цель которой — сфокусировать
падающие лучи на детекторе. При этом, однако, особое вни-
мание следует обратить на выбор материалов оптической
системы: например, обычное стекло применимо только до длин
волн порядка 2,7 мк, в то время как кварц может быть исполь-
зован во всем волновом диапазоне применимости сульфида
свинца.
Длина Волны
Фиг. 29. Спектральная харак-
теристика детектора «Эктрон»;
заштрихована область види-
мого света.
Фиг. 30. Использование детек-
тора «Эктрон» в качестве фо-
тоэлемента:
1 — детектор «Эктрон», 2 — источ-
ник света, 3 — прерыватель.
Детекторы «Эктрон» могут быть использованы в качестве
фотоэлементов, как показано на фиг. 30. Эти детекторы могут
составлять часть мостовой схемы, играя роль приемника излу-
чения.
Измерение температуры на расстоянии с помощью инфра-
красной радиометрии основано на том факте, что спектраль-
ный состав излучения, испускаемого нагретым телом, является
хорошо известной функцией температуры тела. Радиометр —
это оптический прибор, который воспринимает излучение в пре-
делах малого телесного угла и преобразует энергию излучения
в электрический сигнал. Амплитуду электрического сигнала
можно измерить с большой точностью. Так как характеристики
спектра излучения строго определены основными законами и
соотношениями теплообмена лучеиспусканием, то для данного
источника оказывается возможным проградуировать выходную
71
мощность электрического сигнала по температуре и практи-
чески измерять температуру при отсутствии физического кон-
такта.
Любой объект, температура которого выше температуры
абсолютного нуля, испускает лучистую энергию в широком
диапазоне частот. Большая часть этого излучения имеет опре-
Фиг. 31. Кривые излучения черного
тела.
деленную длину волны, за-
висящую от температуры
объекта (фиг. 31). Длина
волны, соответствующая
максимуму излучаемой энер-
гии, уменьшается по мере
возрастания температуры.
Излучение черного тела оп-
ределяется как излучение,
испускаемое объектом, кото-
рый поглощает без отраже-
ния все падающие на него
лучи. По сравнению с излу-
чением любого другого тела
излучение черного тела при
этой же температуре харак-
теризуется наибольшей сум-
марной энергией на единицу
площади..
Реальное распределение
энергии для серых тел в ди-
апазоне от —100 °C до
1000 °C показано на фиг. 32,
где в графической форме иллюстрированы результаты расчетов
по основным формулам лучеиспускания. Этот график ясно пока-
зывает, что 80% лучистой энергии, испускаемой серыми телами
в указанном температурном диапазоне, приходится на интервал
длин волн от 1,8 до 40 мк. Это и составляет ту область длин
волн, в пределах которой желательно измерять суммарную
энергию инфракрасного излучения для определения температур
объектов, если верхний предел измеряемых температур не превы-
шает 1000 °C.'
Из основных законов излучения следует, что лучистая энер-
гия, испускаемая телами, однозначно связана с их темпера-
турой, причем почти вся излучаемая энергия приходится на
инфракрасную область электромагнитного спектра. Для боль-
шинства объектов излучательная способность в области инфра-
красных лучей сохраняет почти постоянное значение и, следо-
вательно, закон распределения энергии по длинам волн для
этих тел подобен закону распределения энергии для черных
тел при такой же температуре. Таким образом, температура
тела может быть определена посредством измерений испускае-
72
мого инфракрасного излучения. Все измерения, связанные
с распространением лучистой энергии, основаны на сравнении
с первичными или вторичными стандартными источниками.
Этот стандартный источник часто является неотъемлемой
частью радиометра.
Радиометр осуществляет фокусирование инфракрасных лу-
чей, испускаемых нагретым телом, на детекторе инфракрасного
излучения. Оптическая система радиометра должна быть оди-
наково эффективна при всех длинах волн в инфракрасной

жп
Проценты от суммарной
энергии излучения
Энергия излучения
w=e6T‘>
г	—i
I Г-'I^Wj Ш’с Ж/г; I ~1
Г'
10	20
Длина волны
50
100 пк
2
5
Фиг. 32, Распределение энергии излучения серых тел по длинам волн в зави-
симости от температуры.
области, где, как правило, необходимо использовать отража-
тельную оптику. Выходная мощность электрического сигнала
детектора должна быть пропорциональна энергии падающего
излучения также во всем диапазоне длин волн.
Эти приборы часто называют инфракрасными радиометрамг!
постоянного тока. Такая терминология применима постольку,
поскольку этот прибор измеряет изменение электрических
свойств термоэлектрического или болометрического чувстви-
тельного элемента. Разность уровней излучения, измеряемая
прибором этого типа, — это разность между количеством лучи-
стой энергии от источника и уровнем лучистой энергии, при-
сущей самому детектору. Излучательная способность и темпе-
ратура инфракрасного детектора определяют сравнительный
уровень излучения прибора и играют важную роль.
Недавние исследования в области малоинерционных инфра-
красных детекторов привели к созданию новых типов радио-
метрических приборов. Эти приборы носят название инфракрас-
ных радиометров переменного тока, поскольку в них исполь-
зуется такая методика сравнения измеряемого уровня излучения
со стандартным, при которой поток измеряемого излучения
периодически прерывается. При такой схеме измерения инфра-
красный детектор попеременно воспринимает изображение
источника и зачерненного прерывателя. Таким образом, выход-
ной сигнал прибора пропорционален разности между уровнями
73
излучения от источника и прерывателя. Сравнительный уровень
излучения в этом приборе определяется излучательной спо-
собностью и температурой зачерненного прерывателя. Выходной
сигнал таких приборов является электрическим сигналом пере-
Фиг. 33. Термисторные болометры:
1 — активный элемент, 2 — экранированный
компенсирующий элемент, 3 — окошко.
менного тока.
Термисторы. Термис-
торы (термочувствитель-
ные сопротивления)—это
полупроводниковые при-
боры на основе окислов
марганца, никеля и ко-
бальта. Обработанная со-
ответствующим образом'
смесь этих окислов обра-
зует устойчивую структу-
ру, которая характеризу-
ется высоким отрицатель-
ным температурным ко-
Фиг. 34. Схема работы терми-
сторного болометра:
1 — активный термисторный эле-
мент, 2— компенсирующий элемент.
эффициентом сопротивления. Термисторы являются уникальны-
ми приборами в отношении скорости реагирования, надежности
и простоты электронного умножения выходного сигнала. Снаб-
женные специальными окнами, пропускающими инфракрасные
лучи, эти прйборы одинаково чувствительны к широкому диапа-
зону волн вплоть до волн длиной 40 мк.
Инфракрасные детекторы на термисторах используются
в инфракрасных радиометрах постоянного и переменного тока,
описанных выше. Термисторы обладают высоким сопротивле-
нием, поэтому они могут быть непосредственно включены в цепь
сетки вакуумной трубки. Типовые образцы болометров на
термисторах показаны на фиг. 33. В термисторном болометре
очень .тонкий слой полупроводникового вещества (~ 10 мк)
нанесен на металлическую пластину, играющую роль тепловой
емкости. Прибор состоит из активного элемента и парного
компенсирующего элемента, экранированного от измеряемого
излучения. Детектор работает по мостовой схеме (фиг. 34).
74
Коэффициент поглощения падающего излучения увеличен в ре-
зультате чернения поверхности полупроводника. Компенсирую-
щий элемент используется для того, чтобы свести к минимуму
изменение характеристик детектора, вызванное колебаниями
окружающей температуры.
ЭвапорЬграф. Эвапорограф позволяет получить двухмерную
картину температурного поля на основании характеристик
Фиг. 35. Оптическая схема эвапорографа:
1 — фокусирующее зеркало, 2 — фотокамера, 3 — зеркало, отра-
жающее 80% световых лучей, 4 — окуляр, 5 — источник осве-
щения, б — маска, 7 — линзы, формирующие изображение, 8—
теплопоглощающее стекло, 9 — 1-е преломляющее зеркало,
10 — открытый источник света, 11 — преломляющее зеркало,
12 — окно из каменной соли, 13 — мембрана, 14 — окно из про-
водящего стекла, 15 — 2-е преломляющее зеркало, 16 — зеркало,
отражающее 50% световых лучей, 17 — коллимирующая линза,
18 — фильтр нейтральной плотности, 19 — заслонка.
инфракрасного излучения объекта. Этот прибор улавливает
разность температур в точках исследуемой поверхности; при
этом не требуется физического контакта с изделием или
вспомогательного освещения. При помощи эвапорографа можно
получить визуальное или фотографическое изображение темпе-
ратурных изменений при дневном свете либо в полной темноте.
В эвапорографе используется нитроцеллюлозная мембрана, на-
столько тонкая, что при отражении от нее белый свет разла-
гается на спектральные составляющие.
75
Эта мембрана толщиной около 0,1 мк помещена в вакууми-
руемой камере между оптической системой и зрительным оку-
ляром.
” К вакуумному
насосу
Фиг. 36. Конструкция ка-
меры эвапорографа:
/ — окно из каменной соли, 2 —
пары масла, 3 — пористая бу-
мага, насыщенная маслом, 4 —
окно из проводящего стекла, 5—
нагреватель сопротивления, 6—
мембрана.
На фиг. 35 и 36 показаны схема прибора и конструкция
камеры эвапорографа. Оптическая си-
стема собирает инфракрасные лучи, ис-
пускаемые исследуемым участком по-
верхности, и образует изображение
этого участка на мембране. Покрытие
на передней поверхности мембраны
поглощает излучение; при этом темпе-
ратура мембраны меняется от точки к
точке в зависимости от количества
поглощенной лучистой энергии, что, в
свою очередь, влечет за собой изме-
нение толщины масляной пленки на
обратной стороне мембраны в зависи-
мости от местной температуры. Раз-
личная толщина пленки на мембране
является причиной того, что белый
свет при отражении в различной сте-
пени претерпевает спектральное разложение, в результате чего
создается цветное изотермическое изображение исследуемой по-
верхности.
Полученную изотермическую картину можно наблюдать
визуально, а также зафисировать на фотопленке. Для опре-
деления численных значений температур полученные результаты
расшифровывают с помощью таблиц, составленных на основе
закона Стефана-Больцмана. Эвапорографом можно измерять
такие малые разности температур, как несколько десятых долей
градуса. По сообщениям фирмы-изготовителя, этот прибор
характеризуется высокой степенью точности измерения абсолют-
ной температуры и хорошей воспроизводимостью результатов.
| ГЛАВА 6
РЕНТГЕНОГРАФИЯ
Рентгенография относится к радиографическим методам
неразрушающих испытаний, где в качестве инструмента иссле-
дования используется рентгеновское
В дальнейшем для того, чтобы отли-
чить эти два вида излvчeния от дру-
гих, таких как видимый свет и звук,
рентгеновское и гамма-излучение бу-
дут называться «проникающим излу-
чением».	,
Радиография является одним из
старейших методов неразрушающих
испытаний; первое применение радио-
графии для этой цели относится к на-
чалу двадцатых годов текущего столе-
тия. В настоящее время это также
один из наиболее распространенных
методов неразрушающих испытаний.
Существо метода заключается в том,
что интенсивность проникающего излу-
чения меняется при прохождении че-
рез материал и дефекты в материале.
Это явление, проиллюстрированное на
фиг. 37, является основой использова-
ния радиографии для исследования из-
делия без разрушения.'
или гамма-излучение.
Фиг. 37. Дифференциальное
поглощение:
1 — источник рентгеновских лу-
чей, 2 — включение, 3 — пори-
стость, 4 — изделие, 5 — пленка,
6 — рентгеновское изображение.
Контрастность различных участков фотопленки, соответству-
ющих дефектным зонам и зонам, свободным от дефектов, позво-
ляет оператору обнаружить дефект.
Рентгеновское и гамма-излучение составляют часть спектра
электромагнитного излучения. Основываясь на длине волны,
этот спектр можно разделить на следующие группы (длина
о
волны в А):
Гамма-лучи........... 0,005—0,01
Рентгеновские лучи . . 0,01—5
Ультрафиолетовые лучи I 10—4000
Видимый свет ....	4000—7500
Инфракрасные лучи . .	7500—4 10е
Радиоволны..........	106—1013
77
Приведенная классификация различных видов излучения
является до некоторой степени произвольной и, как будет видно
в дальнейшем, возможно взаимное наложение различных групп.
Рентгеновские и гамма-лучи характеризуются следующими
свойствами:
1.	Обладают высокой проникающей способностью.
2.	Имеют различный коэффициент поглощения при про-
хождении через разные среды.
3.	Распространяются по прямым линиям.
4.	Вызывают фотохимические эффекты в фотографических
эмульсиях.
5.	При прохождении через газовые среды ионизируют мо-
лекулы газа.
6.	Не подвергаются воздействию электрических или маг-
нитных полей.
7.	Распространяются со скоростью 3-1010 см1еек.
8.	Способны высвобождать фотоэлектроны.
9.	Вызывают свечение некоторых веществ.
В промышленной радиографии основным методом обнару-
жения рентгеновских и гамма-лучей является фотохимический
метод (с использованием специальных фотоэмульсий); однако
для этой цели иногда .применяются и другие методы с приме-
нением счетчиков Гейгера, полупроводников, фотопроводников
и сцинтиляционных счетчиков.
Генерация рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возни-
кают в том случае, когда высокоскоростные электроны, назы-
ваемые катодными лучами, встречают на своем пути метал-
лическую мишень. При столкновении электронов с мишенью
и их резком торможении часть кинетической энергии электронов
переходит в энергию рентгеновских лучей. Таким образом,
основными условиями генерации рентгеновских лучей являются
источник электронов, устройство для их ускорения и металли-
ческая мишень. В рентгеновских трубках электроны ускоряются
электрическим полем, созданным разностью потенциалов между
источником электронов (катодом) и мишенью. Эта разность
потенциалов в дальнейшем будет называться напряжением
трубки. Поток электронов в рентгеновской трубке называется
током трубки.
Скорость, с которой электрон ударяется .о мишень, опре-
деляется напряжением трубки. Скорость v, которую электрон
приобретает под воздействием разности потенциалов (У, может
быть вычислена путем приравнивания кинетической энергии
электрона той работе, которая затрачивается на его ускорение:
уМу2= 1,6- 10_12t/,	(6.1)
где М — масса электрона (9,1 • 10~23 г);
v — скорость в см1сек\
U{—напряжение трубки в в.
78
В рентгенографии могут быть использованы два вида рент-
геновских трубок: ионные трубки и электронные трубки. Послед-
ние в настоящее время используются почти повсеместно. Схема-
тическое изображение электронной трубки показано на фиг. 38.
В трубке поддерживается высокий вакуум; все внутренние ме-
таллические элементы трубки предварительно проходят дега-
Фиг. 38. Электронная рентгеновская трубка:
1 — источник высокого напряжения, 2 — анод. 3 — фокусирующая
катодная чашечка, 4 — батарея накала нити.
зацию с помощью нагревания. Катод трубки выполнен в виде
спиральной вольфрамовой нити, помещенной в небольшую
металлическую чашечку. Испускание свободных электронов
происходит при нагревании вольфрамовой нити до высокой
температуры электрическим током. Эмиссия электронов с на-
гретых поверхностей известна под названием термоэлектронной
эмиссии.
Как экспериментальные, так и теоретические исследова-
ния показывают, что поток электронов, испускаемых нагре-
той нитью, зависит от температуры нити. Металлическая ча-
шечка служит для того, чтобы образовать электромагнитное
поле и сфокусировать электронный пучок. Электроны, испускае-
мые нагретой нитью, тормозятся лишь на небольшом участке
анода, который называется фокусом трубки или фокусным пят-
ном. К аноду и катоду подведено высокое напряжение.
Интенсивность генерируемых рентгеновских лучей прямо
пропорциональна току трубки и зависит от напряжения трубки
при повышении мощности более чем в 2 раза. Эффективность
генерации рентгеновских лучей определяется следующим выра-
жением:
£= 1,4-10“ 7Zt/,	(6.2)
где Е — эффективность в %;
Z — атомный вес материала анода;
U — напряжение трубки в в.
Из этого выражения следует, что эффективность генерации
рентгеновских лучей мала при низких напряжениях. При на-
79
пряжении 300 кв, например, только около 3%' энергии элек-
тронов преобразуется в энергию рентгеновских лучей. Осталь-
ная часть кинетической энергии электронов, заторможенных на
аноде, переходит в тепловую энергию, что влечет за собой на-
гревание анода; количество образованного при этом тепла про-
порционально произведению напряжения и тока трубки. Следо-
вательно, возникает необходимость в охлаждении анода, что
может быть осуществлено самыми различными способами. Не-
которые трубки выполнены так, что выделяющееся на аноде
тепло отводится жидкостью (водой или маслом), циркулирую-
щей внутри полого анода. В других трубках тепло отводится по
длинному металлическому стержню, соединенному с анодом, к
оребренной охлаждающей поверхности, расположенной вне
трубки.
В некоторых трубках анод выполнен вращающимся, и в
каждый момент времени воздействию электронного пучка под-
вергается лишь небольшая часть поверхности анода. Вольфра-
мовые мишени иногда заделываются в массивные медные дер-
жатели, по которым тепло отводится значительно интенсив-
нее.
В рентгенографии желательно иметь такие источники рентге-
новских лучей, которые приближаются к идеальному точечному
источнику. Такой источник можно получить путем соответствую-
щего выполнения нити и фокусирующего цилиндра, но, как
правило, это усложняет проблему теплоотвода. В обычном слу-
чае приходится принимать компромиссное решение в отношении
размера фокусного пятна, которое может быть использовано
без опасности проплавления анода. Чем меньше фокусное пят-
но, тем более четким будет радиографическое изображение. На
фиг. 39 показано, как можно получить малое фокусное пятно
с одновременным сохранением достаточно большой площади
для рассеивания тепла. Поверхность мишени анода наклонена
под некоторым углом к пучку электронов, испускаемых като-
дом. Фокусное пятно в направлении, перпендикулярном к элек-
тронному пучку, имеет площадь V, в то время как действитель-
ная площадь равна Я.
В большинстве рентгеновских трубок спираль нагревается
током 3—5 а при напряжении 6—15 в. Мощность подводится
от понижающего трансформатора. Так как обычно спираль не
заземляется, то в этом случае необходимо применять трансфор-
матор, у которого первичная и вторичная обмотки изолированы.
Ток накала регулируют с помощью реостата, включенного в
контур первичной обмотки (фиг. 40). Высокое напряжение для
ускорения электронов обеспечивается повышающим трансфор-
матором.
Показанный на фиг. 40 автотрансформатор используется для
регулировки первичного напряжения в высоковольтном транс-
форматоре.
80
Рентгеновские лучи возникают только в том случае, когда
мишень имеет положительный потенциал по отношению к спи-
рали. Следовательно, необходимо выпрямить переменный ток.
подаваемый на трубку со вторичной обмотки высоковольтного
трансформатора. Рентгеновскую трубку можно соединить так-
же непосредственно со вторичной обмоткой высоковольтного
трансформатора. В этом случае анод будет иметь положитель-
ный потенциал лишь в течение каждого полупериода; генерация
рентгеновских лучей
будет Также происхо-
дить только в пределах
этих интервалов вре-
мени. Таким
рентгеновская
2306
аджШ ' n
2306
Фиг. 40. Принципиальная схема рентгеновско-
го аппарата:
/ — трансформатор накала, 2 — амперметр, 3 —рео-
стат, 4 — автотрансформатор, 5 — переключатель, 6—
катушка, 7 — реле времени, 8 — клеммы автотран-
сформатора, 9 — высоковольтный трансформатор,
10 — миллиамперметр.
- Ю
образом,
трубка
Фиг. 39. Принцип линейча-
той фокусировки рентгенов-
ского пучка.
(которая по существу является диодом) в этом случае работает
как выпрямитель. Однако следует принять меры предосторож-
ности, чтобы полностью исключить вероятность эмиссии элек-
тронов с чрезмерно нагретого анода, так как они, сталкиваясь
с катодом, быстро разрушают спираль. Самовыпрямляющие
трубки часто используются в переносных рентгеновских аппа-
ратах.
Если в момент прохождения тока через рентгеновскую труб-
ку анод (мишень) обладает некоторым потенциалом, то обрат-
ное напряжение, которое имеет место в течение другого полу-
периода, будет значительно выше, так как в этом случае ток
отсутствует и в результате этого на трансформаторе не проис-
ходит падения напряжения. Таким образом, если трубка дол-
жна выдерживать обратное напряжение, то напряжение, кото-
рое используется для ускорения электронов и генерации рент-
геновских лучей, должно быть значительно меньше обрат-
ного.
Выпрямляющее действие рентгеновской трубки использует-
ся в особых электронных трубках (кенотронах), предназна-
ченных для выпрямления переменного электрического тока
S1
высокого напряжения. Кенотрон состоит из нити накала — ка-
тода и пластинки — анода. Нить накаливается током около-
12 а при напряжении около 12 в. Поток электронов между ни-
тью и анодом возникает лишь в течение одного полупериода, при
котором анод имеет положительный потенциал. Конструкция
кенотронов выполнена так, что при наличии на нити положи-
тельного потенциала электрический ток через кенотрон не про-
Фиг. 41. Схема четырехке-
нотронного рентгеновского
аппарата.
текает, даже если разность потен-
циалов достигает 200 кв. Если по-
следовательно с рентгеновской
трубкой включить только один
кенотрон, то питание на рентгенов-
скую трубку будет подаваться в
течение одного полупериода; такая
схема называется схемой полупери-
одного выпрямления. При исполь-
зовании четырехкенотронной схемы
(фиг. 41) возможно обеспечить по-
стоянный подвод мощности к рент-
геновской трубке; такая схема на-
зывается схемой полного выпрямле-
ния. Схема работает следующим
образом. Когда точка А высоко-
вольтного трансформатора имеет
отрицательный потенциал, то по-
тенциал точки В положителен.
В этом случае ток течет по выпрямителям 3 и 4. В течение вто-
рой половины периода в точке А потенциал положительный, а в-
точке В — отрицательный. Тогда ток протекает по выпрямите-
лям 1 и 2. Во время обоих полупериодов потенциал анода рент-
геновской трубки положителен. Для сглаживания пульсаций
напряжения в схему могут быть включены конденсаторы.
Полное выпрямление может быть осуществлено и при ис-
пользовании лишь двух выпрямителей. В такой схеме проис-
ходит удвоение напряжения — максимальное напряжение, при-
ложенное к трубке, в 2 раза превышает напряжение, подавае-
мое с трансформатора. Это достигается за счет параллельной
зарядки от трансформатора и последовательного разряда через
рентгеновскую трубку двух конденсаторов, включенных в схему.
Схемы удвоения напряжения иногда используются в промыш-
ленных высоковольтных установках для получения очень высо-
ких напряжений, так как изготовление трансформаторов на
такие напряжения представляет большие трудности.
Схема Виллара, показанная на фиг. 42, является одной из
схем удвоения напряжения. В течение первого полупериода
точка А вторичной обмотки трансформатора имеет отрица-
тельный потенциал по отношению к заземленной точке, в то
время как точка В — положительный. Тогда конденсатор Су
82
заряжается током, проходящим через выпрямитель /Q, а кон-
денсатор С2 — током, проходящим через выпрямитель /С2. Ког-
да выходное напряжение трансформатора падает до нуля, на-
пряжение на трубке становится равным максимальному напря-
жению на вторичной обмотке. Затем в результате' изменения
полярности трансформатора потенциал точки А становится
положительным, а точки В — отрицательным, и напряжение на
трубке повышается до величины, равной приблизительно удво-
енному максимальному напряже-
нию трансформатора, так как вто-
ричная обмотка по существу вклю-
чена последовательно с конденса-
торами Cj и С2 и с обоими выпря-
мителями. Для эффективной работы
такой схемы емкость конденсаторов
С! и С2 должна быть достаточно
велика, чтобы напряжение, создава-
емое ими, оставалось почти постоян-
ным. Кроме того, необходимо, что-
бы зарядный ток, протекающий че-
рез выпрямители К\ и К2, был зна-
чительно больше, чем ток трубки.
Фиг. 42. Схема удвоения
напряжения по Виллару.
Результирующая вольтамперная характеристика рентгеновской
трубки, включенной по такой схеме, будет пульсирующей; ча-
стота пульсаций будет в 2 раза меньше частоты входного напря-
жения трансформатора. Это делает невозможным использование
схемы в тех случаях, когда требуется крайне малое время экспо-
зиции, так как в начальный период, когда конденсаторы
не имеют заряда, характеристика трубки оказывается искажен-
ной. Такая схема, однако, вполне пригодна для использования
в нормальных промышленных условиях, когда время экспозиции
достаточно велико, чтобы можно было пренебречь подобными ис-
кажениями.
Другая схема удвоения напряжения (схема Грейнахера) по-
казана на фиг. 43. На схеме видно, что в течение первого полу-
периода, когда свободный конец обмотки становится положи-
тельным, конденсатор Сх будет заряжаться током, пропускае-
мым выпрямителем в указанном направлении; выпрямитель
/<2 при этом тока не пропускает. В течение второго полупе-
риода вследствие изменения полярности заряжается конденса-
тор С2, в то время как выпрямитель Ki заперт. Разряжаться
конденсаторы могут только на рентгеновскую трубку, и так как
они включены последовательно, рентгеновская трубка оказы-
вается под напряжением, равным сумме напряжений на об-
кладках конденсатора, т. е. удвоенному напряжению на выходе
трансформатора.
Резонансный трансформатор (фиг. 44) имеет низковольт-
ную обмотку, изготовленную из проволоки прямоугольного
83
Фиг. 43. Схема удвоения
по Грейнахеру.
сечения и, высоковольтную обмотку, набранную из большого
числа тонких пластин, между которыми имеются некоторые
промежутки для охлаждения. Принцип работы резонансного
трансформатора заключается в следующем. Высоковольтная
обмотка обладает большой ин-
дуктивностью, которая подбира-
ется так, чтобы обеспечивался
резонанс с клеммной и распреде-
ленной емкостями при рабочих
частотах, . лежащих в пределах
от 180 до 200 гц. Для создания
резонансного контура мощно-
стью 30 кеа при наибольшей ам-
плитуде колебаний 1 Мв тре-
буется относительно малая вход-
ная мощность (3,5 кет), равная
сумме потерь в трансформаторе
и мощности, потребляемой рент-
геновской трубкой; для подвода
такой мощности требуется пер-
вичная обмотка небольших раз-
меров.
Индуктивность, необходимую для создания резонанса, мож-
но получить без применения железного сердечника, поэтому
центральное пространство высоковольтной обмотки исполь-
зуется для размещения рен-
тгеновской трубки; такая
конструкция позволяетупро-
Фиг. 44. Поперечный разрез рент-
геновского аппарата напряжением
2 Мв\
1 — стальной корпус, 2 — охладитель,
3 — конечный виток катушки накала,
4 — пластинчатый экран, 5 — плавно-
регулируемый автотрансформатор, 6—
пружина распорного стержня, 7 — ла-
тунный экран, 8 — катодный узел, 9—•
первый промежуточный электрод, 10—
стеклянная оболочка, 11— экран вокруг
рентгеновской трубки, 12 — вывод сек-
ции, 13 — стеклянный распорный стер-
жень, 14 — вторичные катушки, 15 —
первичная обмотка, 16 — изолирован-
ный вал регулирования нити накала,
17 — пластинчатое стальное дно, 18 —
мотор регулирования нити накала,
19 — фокусирующая катушка, 20 —
свинцовый экран, 21 — водяная ру-
башка, 22 — добавочная камера, 23 —
вольфрамовая мишень, 24 — свинцовая
диафрагма.
стить проводку к электродам рентгеновской трубки и обеспечи-
вает надежную электростатическую экранировку, создаваемую
84
Фиг. 45. Генератор Ван-де-
Граафа:
1 — электрический заряд, 2
быстродвижущаяся лента, 3
изолированная полусфера, 4—»
эмиттер или разрядник, 5
ускорительная трубка, 6 — ми»
шень. I
обмоткой трансформатора. Нижний конец высоковольтной обмот-
ки заземлен; верхний или высоковольтный конец экранирован
медной круглой оболочкой с радиальными прорезями. Изменение
частоты тока в основной питающей се-
ти от 60 гц до 180 гц достигается с по-
мощью синхронной генераторной уста-
новки, которая также обеспечивает
стабилизацию напряжения на трубке.
Значительные потери мощности возни-
кают в случае, если внешний сталь-
ной корпус пронизывается магнитным
полем трансформатора. Чтобы избе-
жать этих потерь, корпус обшит внут-
ри узкими перекрывающими одна дру-
гую полосами кремнистой стали, при-
варенными точечной сваркой к тонкой
цилиндрической обечайке; нижняя
часть внешнего корпуса экранирована
кольцом, сваренным из таких же ра-
диальных полос. Многосекционная
высоковольтная обмотка является:
1) генератором вторичного напряже-
ния трансформатора; 2) делителем по-
тенциала (что предотвращает магнит-
ные утечки); 3) электростатической
защитой рентгеновской трубки от за-
земленного корпуса и 4) механиче-
ской опорой верхнего защитного эк-
генератора Ван-де-Граафа, который
также можно использовать в качестве
источника рентгеновских лучей, показана на фиг. 45. В этом
генераторе для получения высокого напряжения используется
электростатический принцип. Электрический заряд со щетки,
соединенной через выпрямитель с трансформатором, перено-
сится на быстро движущуюся изолированную ленту, а с нее —
на изолированный полусферический металлический кондуктор,
который отделен от корпуса ускорителя газовой прослойкой; для
получения большей электрической прочности используется сжа-
тый газ, например азот.
рана.
Генератор Ван-де-Граафа. Схема
В результате непрерывного накопления зарядов металличе-
ский кондуктор приобретает значительный потенциал по отно-
шению к нижнему концу камеры. Электроны, испускаемые на-
каленной нитью, ускоряются в стеклянной вакуумируемой
трубке под действием разности потенциалов между высоковольт-
ным кондуктором и нижней частью камеры; рентгеновские лучи
возникают при бомбардировке ускоренными электронами мише-
85
ни из тяжелого металла. Генератор Ван-де-Граафа работает при
постоянном напряжении; стабильность напряжения достигается
в результате равновесия между током зарядки кондуктора и
рабочим током в ускорительной трубке. С помощью системы
электродов, расположенных внутри трубки по ее длине, можно
обеспечить весьма тонкую фокусировку электронного пучка.
В генераторах подобного типа диаметр фокусного пятна не
превышает 7,5 мм, что позволяет получать четкое изображение.
Электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение
может рассматриваться в двух аспектах: как волновое излу-
чение или как корпускулярное излучение, состоящее из частиц,
называемых фотонами или квантами. Некоторые явления полу-
чают более четкое объяснение, если рассматривать рентгенов-
ские или гамма-лучи как поток квантов, другие явления с
большой полнотой отражаются волновой теорией. Как и во
всяком волновом процессе, зависимость между частотой f, дли-
ной волны X и скоростью распространения электромагнитного
излучения v определяется следующим выражением:
v = /X.	(6.3)
Установлено, что спектр излучения, испускаемого рентгенов-
ской трубкой, состоит из двух частей: сплошного спектра и ха-
рактеристического спектра. На фиг. 46 показаны кривые рас-
пределения интенсивности излучения сплошного рентгеновского
спектра для ряда напряжений на трубке. Точка пересечения
каждой кривой с осью абсцисс, например точка С для кривой
30 кв, называется «коротковолновым пределом». Величина ко-
ротковолнового предела зависит только от напряжения трубки.
Наиболее жесткие рентгеновские лучи, обладающие наимень-
шей длиной волны, вызываются высокоскоростными электрона-
ми, несущими максимальный запас кинетической энергии.
Величина коротковолнового предела
х = 12336	(6.4)
U
О
где X — длина волны в А;
U — напряжение трубки в в.
Из уравнения (6.4) следует, что по мере роста напряжения
на трубке длина волны рентгеновского излучения уменьшается,
а проникающая способность рентгеновского излучения, как бу-
дет показано ниже, увеличивается. Из фиг. 46 видно, что ин-
тенсивность излучения увеличивается с увеличением напряже-
ния на трубке. Интенсивность сплошного спектра возрастает
прямо пропорционально квадрату’напряжения:
I = kU\	(6.5)
86
Фиг. 46. Сплошной спектр
рентгеновского излучения
вольфрама.
В этом выражении k — константа, которая среди прочих фак-
торов зависит от материала мишени
очевидным следствиям, которые вы-
текают при анализе графика на
фиг. 46, необходимо отметить, что с
увеличением тока трубки интенсив-
ность рентгеновского излучения для
заданного напряжения также уве-
личивается.
Максимальная интенсивность
будет при напряжении, составляю-
щем две трети от максимального.
Параметры сплошного спектра
рентгеновского излучения и коротко-
волновый предел не зависят от ма-
териала мишени анода. Существует
по меньшей мере три причины,
объясняющие возникновение сплош-
ного спектра излучения. Часть уско-
ренных электронов до соударения
с атомом успевает проникнуть на
некоторое расстояние в мишень,
и возникшие в результате тор-
можения электронов рентгеновские лучи фильтруются через по-
верхностные слои мишени. Колебания . напряжения в трубке
вызывают изменение энергии лучей. Во взаимодействии между
атомами мишени и ускоренными электронами количество пере-
даваемой энергии является переменной величиной.
С другой стороны, характеристический спектр полностью опре-
деляется материалами мишени.
На фиг. 47 показан характеристический спектр вольфрама.
Энергия излучения характеристического спектра мала по срав-
нению с энергией излучения сплошного спектра. Характеристи-
ческий спектр неоднороден и состоит из нескольких групп, или
серий, линий, резко отличающихся длиной волны; эти серии
принято обозначать латинскими буквами.
Серия, образованная наиболее жесткими лучами (т. е. с наи-
меньшей длиной волны), обозначается буквой К, следующие
серии, излучение которых обладает большими длинами волн, —
буквами L, М и т. д.
Индексами а, |3, у и т. д. обозначают интенсивности (начиная
с наибольшей) в пределах каждой серии; т. е. лучи наибольшей
интенсивности в данной серии обозначаются через меньшей
интенсивности — и т. д. Параметры серии К характеристи-
ческого спектра излучения для некоторых металлов приведены
в табл. 6.
Как показано на фиг. 47, при напряжениях, меньших 70 кв,
в излучении рентгеновской трубки с вольфрамовой мишенью
87
Таблица 6
К-серия характеристического спектра излучения
$ Эле- F мент^	Длина волны в А			Эле- мент		*	-°	 	Длина волны в А			
	а	Р	7		а	Р	7
Fe Со f Ni or	1,934 1,787 1,656 1,539	1,752 1,617 1,497 1,389	1,741 1,605 1,485 1,378	Ag W Pb	0,560 0,211 0,168	0,496 0,184 0,146	0,496 0,179 0,141
К-серия отсутствует. Это подтверждается также уравнением (6.4).
Характеристическое излучение возникает только тогда, когда
напряжение трубки пре-
вышает минимальное
значение, определяемое
материалом мишени.
Напряжение
200 70 30 20 15 12 10	8	7 к8
Длина волны
Фиг. 47. Характеристический спектр
рентгеновского излучения вольфрама.
ZJx
Фиг. 48. Схема эксперименталь-
ной установки для излучения
поглощения:
1 — источник, 2 — детектор.
Поглощение рентгеновского излучения. Использование рент-
-геновских лучей в радиографии основывается на том факте, что
рентгеновские лучи по-разному поглощаются различными сре-
дами. Механизм поглощения рентгеновских лучей веществом,
можно понять из эксперимента, схема которого показана на
фиг. 48. Как было установлено на основании подобных экспе-
риментов, интенсивность I пучка моноэнергетйческого рентге-
новского излучения, пропускаемого через слой вещества толщи-
ной Дх, уменьшается на величину Д/.
Было найдено, что уменьшение интенсивности прямо про-
порционально начальной интенсивности пучка и толщине по-
глотителя
Д/ = — И/Дх,	(5.6)
где ц— коэффициент пропорциональности; знак минус указы-
88
вает на уменьшение интенсивности. Это уравнение можно запи-
сать в| дифференциальной форме и проинтегрировать:
di — — Ipdx-,
(6.7)
Z = 10е~»х,
(6.8)
где /0 — начальная интенсивность излучения;
I — интенсивность излучения после прохождения через
слой поглотителя;
х — толщина слоя поглотителя;
ц — линейный коэффициент поглощения вещества.
Это выражение является основной закономерностью, опре-
деляющей поглощение моноэнергетического пучка рентгеновских
или гамма-лучей. На фиг. 49 это
уравнение представлено в гра-
фической форме при использо-
вании прямоугольной системы
Т олщина
Фиг. 50. Кривая поглощения рент*
геновского излучения в полуло-
гарифмических координатах.
О 2	4	6	8 СП
Толщина
Фиг. 49. Кривая поглощения рент-
геновского излучения в прямо-
угольных координатах.
координат и линейного масштаба. На фиг. 50 эта же кривая
построена в полулогарифмическом масштабе; в этом случае
уравнение (6.8) графически выражается прямой линией, причем
тангенс угла наклона этой прямой равен линейному коэффи-
циенту поглощения.
Экспоненциальный характер зависимости (6.8) означает, что
интенсивность обратно пропорциональна толщине материала;
например, если данная толщина материала снижает интенсив-
ность вдвое, то удвоение толщины вызывает четырехкратное
уменьшение интенсивности.
Линейный коэффициент поглощения ц имеет размерность
l/см или см~* и представляет собой долю энергии, поглощен-
89
ной при прохождении одного сантиметра вещества. Численное
значение р. зависит от длины волны (энергии) начального излу-
чения и от материала поглощающей среды. На фиг. 51 показа-
но изменение коэффициента ц
для стали в зависимости от
энергии излучения. В большин-
стве случаев более удобно ис-
пользовать массовый коэффи-
циент поглощения цт, связан-
Фиг. 52. Зависимость мас-
сового коэффициента погло-
щения меди от длины вол-
ны излучения К.
Фиг. 51. Зависимость линей-
ного коэффициента погло-
щения стали от энергии из-
лучения.
*ный с линейным коэффициентом поглощения следующей зависи-
мостью:
V-m = — >	(6-9)
р
где р — плотность вещества.
В табл. 7 приведены линейные и массовые коэффициенты
поглощения для ряда веществ. Данные по массовым коэффи-
циентам поглощения в зависимости от энергии излучения наи-
более полно представлены в работе [1]. Эмпирическая формула
для вычисления массового коэффициента поглощения предло-
жена Викторином [2]. Массовое поглощение не зависит от фи-
.зического или химического состояния вещества. Конечно, ин-
тенсивность пучка рентгеновских лучей уменьшается неодина-
ково при прохождении через 1 см пара и через 1 см воды. Од-
нако, если учесть плотность обоих веществ, то поглощение из-
лучения на единицу массы окажется одним и тем же. Вслед-
ствие этого доля рентгеновского излучения, поглощенная дан-
ным количеством воды, будет постоянной независимо от того,
находится ли это вещество в виде льда, воды или пара. На
фиг. 52 показан график зависимости массового коэффициента
поглощения для меди.
Массовый коэффициент поглощения химического соедине-
ния или смеси равен сумме массовых коэффициентов поглоще-
ния отдельных составляющих, помноженных на их процентное
‘90
Таблица 7
Коэффициенты поглощения рентгеновских лучей
(длина волны 0,098 А)
Эле- мент	Атомный номер	JL p в см*/г	— 1 |Л в CM	Элемент	Атомный номер	JL p в см2!г	—> 1 [J- в CM
н	1	0,280		Ru	44	0,90	11,1
Li	3	0,125	0,067	Eh	45	0,95	11,8
Be	4	0,131	0,24	Pd	46	0,99	11,3
В	5	0,138	0,35	Ag	47	1,05	11,0
С	6	0,142	0,33	Cd	48	1,09	9,4
N	7	0,143		In	49	1,13	8,2
О	8	0,144		Sn	50	1,17	8,5
F	9	0,146		Sb	51	1,21	8,1
Ne	10	0,148		Те	52	1,25	7,8
Na	11	0,150	0,15	I	53	1,33	6,6
Mg	12	0,152	0,26	Xe	54	1,40	
Al	13	0,156	0,42	Cs	55	1,46	2,7
Si	14	0,159	0,37	Ba	56	1,52	5,7
P	15	0,162	0,32	La	57	1,60	9,8
s	16	0,166	0,33	Ce	58	1,68	11,6
Cl	17	0,176		Pr	59	1,75	11,4
Ar	18	0,184		Nd	60	1,81	12,6
К	19	0,191	0,16	Sm	62	1,95	15,2
Ca	20	0,200	0,31	Eu	63	2,02	10,5
Sc	21	0,208	0,52	Gd	64	2,08	12,3
Ti	22	0,217	0,98	Tb	65	2,13	17,7
V	23	0,227	1,4	Dy	66	2,23	19,2
Cr	24	0,238	1,7	Ho	67	2,33	21
Mn	25	0,250	1,8	Er	68	2,40	11,4
Fe	26	0,265	2,1	Tm	69	2,48	23
Co	27	0,287	2,5	Yb	70	2,55	14,0
Ni	28	0,310	2,8	Lu	71	2,63	26
Cu	29	0,325	3,0	Hf	72	2,72	31
Zn	30	0,350	2,5	Ta	73	2,80	47
Ga	31	0,380	2,3	W	74	2,88	56
Ge	32	0,41	2,2	Re	75	2,95	63
As	33	0,44	2,5	Os	76	3,02	68
Se	34	0,48	2,2	Ir	77	3,09	69
Br	35	0,52		Pt ‘	78	3,15	68
Kr	36	0,56		Au	79	3,21	62
Rb	37	0,59	0,90	Hg	80	3,31	45
Sr	38	0,61	1,6	Tl	81	3,41	41
Y	39	0,66	2,5	Pb	82	3,50	40
Zr	40	0,71	4,6	Bi	83	3,57	35
Nb	41	0,75	6,4	Th	90	3,80	43
Mo	42	0,79	7,9	U	92	’ 3,90	73
91;
содержание по весу; например, массовый коэффициент погло-
щения воды (одна часть Н, восемь частей О)
+ <6-10’
где цн, Цо — массовые коэффициенты поглощения для водоро-
да и кислорода. Окись алюминия (А12О3) имеет молекулярный
вес 102. Массовый коэффициент поглощения окиси алюминия
для рентгеновских лучей с энергией 0,5 Мэе
Hai,o, = °>53^ai + °>47НО = 0,53 • 0,0840 + 0,47-0,0870 »
= 0,085 см2/г.
Из фиг. 52 видно, что при определенной длине волны про-
исходит резкое скачкообразное изменение массового коэффи-
Таблица 8
Граница поглощения излучения К-серии
для некоторых элементов
Элемент	Атомный номер	Граница погло- щения в А
Си	29	1,3774
Ag	47	0,4845
W	74	0,1782
РЬ	82	0,1405
циента поглощения. Длина
волны, при. которой появляется
этот скачок, называется гра-
ницей поглощения или длиной
волны критического поглоще-
ния. Сравнивая значения длин
волн критического поглощения,
приведенных в табл. 8, с пара-
метрами К-серии характери-
стического спектра, приведен-
ными в табл. 6, можно заме-
тить, что длины волн крити-
ческого поглощения несколько
меньше, чем длины волны характеристического излучения.
Толщина полупоглощения. Толщиной полупоглощения t на-
зывается толщина поглотителя, необходимая для уменьшения
интенсивности данного моноэнергетического излучения в 2 раза:
L - JL -
/о " 2 "	’
1п2 = Мр;
_ >0,693
НтпР
(6Л1)
(6.12)
(6.13)
В промышленной радиографии уравнения (6.9) и (6.13)
в том виде, в котором они записаны, не находят практического
применения, так как эти уравнения справедливы только для
моноэнергетического излучения. Однако путем эксперименталь-
ного определения толщины полупоглощения по уравнению
(6.13) можно -вычислить соответствующее значёние коэффици-
ента поглощения, а затем с помощью таблиц, в которых коэф-
92
фициент поглощения представлен как функция длины волны,
можно определить эквивалентную длину волны данного излу-
чения. Зная эквивалентную длину волны, можно вычислить
эффективное напряжение в кв, соответствующее данному излу-
чению:
г г 12,345 r 1	1 ч
изф = ——[кв].	(6.14)
^экв
Рассеяние рентгеновского излучения. Если сместить детектор
в сторону от направления пучка лучей (фиг. 48), то при нали-
чии слоя поглотителя между источником и детектором показа-
ния детектора будут больше, чем в случае отсутствия поглоща-
ющего слоя. Это объясняется тем, что определенное количество
квантов рентгеновского излучения выходит из поглотителя под
некоторыми углами к тому направлению, в котором они рас-
пространялись до встречи с поглощающим слоем. Это явление
называется рассеянием рентгеновского излучения; в том случае,
когда контролируемое изделие имеет значительную толщину,
рассеяние может происходить неоднократно. Детектор воспри-
нимает рассеянное излучение в такой же степени, как и первич-
ное излучение, поэтому различить эти два вида излучения при
помощи детектора невозможно. Измеряемый коэффициент ос-
лабления состоит из двух частей, соответствующих истинному
поглощению и рассеянию. Истинное поглощение связано с
исчезновением кванта рентгеновского излучения в результате
превращения энергии кванта в энергию электронов вещества.
Рассеяние характеризуется изменением направления первичного
пучка; различают рассеяние с изменением длины волны излуче-
ния, при котором происходит изменение энергии кванта, и рас-
сеяние без изменения длины волны, при котором энергия кванта
не меняется.
При взаимодействии гамма-излучения с веществом проте-
кают три процесса: фотоэлектрический эффект, образование
пар и комптоновское рассеяние (фиг. 53). Фотоэлектрический
эффект заключается в том, что квант излучения поглощается
атомом, в результате чего один из связанных электронов вы-
свобождается со своей орбиты; чаще всего происходит выры-
вание электронов с К и A-орбит. Вероятность этого процесса
возрастает с увеличением атомного номера и уменьшается с
увеличением энергии кванта. Если квант, поглощаемый атомом
вещества, имеет энергию свыше 1,02 Мэв, то происходит обра-
зование пары противоположно заряженных элементарных ча-
стиц— электрона и позитрона. Вероятность процесса образо-
вания пар возрастает с увеличением энергии кванта и атомного
номера. При комптоновском рассеянии квант излучения отра-
жается от орбитального электрона. Энергия кванта теряется
лишь частично, и отраженный квант с меньшей энергией про-
должает движение в измененном направлении. Орбитальный
93
электрон при этом смещается со своей орбиты. Вероятность
процесса комптоновского рассеяния прямо пропорциональна
числу электронов в атоме и обратно пропорциональна энергии
кванта излучения.
Общий коэффициент поглощения является суммой коэффи-
циента фотоэлектрического поглощения, коэффициента компто-
новского рассеяния и коэффициента поглощения с образова-
ло
Фиг. 53. Процессы поглощения:
а — фотоэлектрический эффект, б — комптон-эффект, в — образование
пар; 1 — протон, 2 — испускаемый фотоэлектрон, 3 — падающий фотон,
4 — рассеянный фотон энергии hv, 5 — электрон отдачи.
нием пар. На фиг. 54 и 55 коэффициенты поглощения рентге-
новских лучей представлены в функции от энергии излучения.
На основании этих графиков можно отметить, что комптонов-
ское рассеяние значительно ослабляет излучение в диапазоне
от 0,5 до 5 Мэв.
Изменение длины волны рассеянного излучения возрастает
с увеличением угла между направлением первичного пучка и
направлением рассеянного излучения. Эти две величины свя-
заны следующим соотношением:
V — К = 0,02427 (1 — cos 6),	(6.15)
о
где X — длина волны рассеянного излучения, А,
V — длина волны первичного излучения, А,
0 — угол между первичным и рассеянным лучом.
Для пояснения сущности комптоновского рассеяния на
фиг. 56 рассмотрен случай столкновения фотона с электроном
поглотителя. При столкновении электрон смещается, если он
94
свободен или непрочно связан с ядром, что имеет место в лег-
ких атомах; если рассеяние происходит на прочно связанном
электроне (например, на электроне внутренних орбит тяжелых
атомов), то электрон не смещается со своей орбиты, и фотон
рассеивается без потери энергии, т. е.4 без изменения длины
Фиг. 55. Коэффициент поглощения
гамма-лучей для свинца:
1 — суммарное поглощение, 2 — фотоэлек-
трическое поглощение, 3 — сумма клейн-
нишиновского поглощения и рассеяния, 4—
клейн-нишиновское рассеяние, 5 — клейн-
нишиновское поглощение, 6 — образование
пар. '
Фиг. 54. Коэффициент поглощения
гамма-лучей для алюминия:
1 — суммарное поглощение, 2 — сумма
клейн-нишиновского поглощения и рассея-
ния, 3 — клейн-нишиновское поглощение,
4 — клейн-нишиновское рассеяние, 5 — об-
разование пар.
поглощения составляет фото-
Фиг. 56. Эффект Комптона:
1 — первичный пучок, 2 — вторичный
пучок, 3 — электрон отдачи.
волны. Вероятность такого явления велика только для фотонов,
обладающих малой энергией, т. е. в той области, где большую
часть суммарного коэффициента
электрическое поглощение.
При радиографии с использо-
ванием фотопленок рассеяние из-
лучения должно быть сведено к
минимуму, так как истинное изо-
бражение на пленке создается
только теми лучами, которые про-
ходят через изделие, не изменяя
направления. Рассеянные рентге-
новские лучи не только не спо-
собствуют образованию требуе-
мого изображения на пленке, но
оказывают вредное действие, снижая контрастность изображения,
смазывая детали и уменьшая чувствительность метода.
Величина рассеяния рентгеновского излучения примерно
пропорциональна толщине изделия и плотности вещества. На-
пример, для стального образца толщиной 5 см интенсивность
рассеянных лучей в 5 раз'больше, чем для образца толщиной
1 см. Рассеяние для стального образца толщиной 12 см харак-
теризуется величиной того же порядка, как и рассеяние для
свинцового образца толщиной 7,5 см. Рассеяние может быть
95
значительно уменьшено при повышении напряжения на рент-
геновской трубке. Зависимость коэффициента рассеяния для
стального образца толщиной 2,5 см от напряжения трубки
представлена на фиг. 57. В данном случае под коэффициентом
рассеяния понимается отношение рассеянного излучения к пря-
мому (прострельному) излучению:
рассеянное излучение	ч
Коэффициент рассеяния =----------------------.	(6.16)
прямое излучение
При использовании для радиографирования низковольтных
рентгеновских лучей вторичное излучение может вызвать 80%
и более плотности почернения
Фиг. 57. Зависимость коэффициен-
та рассеяния от напряжения на
трубке для стали.
пленки. Влияние вторичного
излучения уменьшается с уве-
личением напряжения на рент-
геновской трубке; например,
при просвечивании стального
образца толщиной 10 см с на-
пряжением на трубке 20 Мэв
вторичное излучение вызывает
около 15% плотности почерне-
ния пленки. При использова-
нии для просвечивания этого
же образца лучей с напряже-
нием на трубке 10 Мэв доля
плотности почернения, вызван-
ная вторичным излучением,
возрастает до 40%. Из графика
на фиг. 66-видно, что при энер-
гиях порядка 3—4 Мэв коэффициент рассеяния приближается к
постоянному значению.
Обработка рентгеновских фотопленок. Используемая в рент-
генографии пленка состоит из прозрачной основы (ацетат цел-
люлозы) и равномерно нанесенного на нее (обычно с обеих
сторон) светочувствительного слоя (эмульсия бромистого сереб-
ра в желатине). Бромистое серебро присутствует в эмульсии
в виде равномерно распределенных мелких кристаллических
зерен. Толщина покрытия (с каждой стороны основы) равна
приблизительно 0,025 мм. При поглощении эмульсией рентге-
новских или гамма-лучей в кристалликах бромистого серебра
происходят фотохимические изменения, прямо пропорциональ-
ные интенсивности излучения и длительности экспозиции. Для
визуального выявления этих изменений рентгеновская плен-
ка должна быть обработана в химическом растворе — прояви-
теле.
Скорость проявления пленки зависит от температуры прояв-
ляющего раствора; как правило, проявляют при температуре
96
20 °C Рекомендуется следующее время проявления при раз-
личной температуре проявителя:
Температура в °C........... 17	18	20	21	22	24	27
Время проявления в мин.....	6,0	5,5	5,0	4,5	4,0 3,75 3,25
После извлечения из проявителя неэкспонированные участки
пленки разбухают и желтеют; при погружении в фиксирующий
раствор желтые места спустя короткий промежуток времени
становятся прозрачными. Время, необходимое для этого про-
цесса, называется временем осветления. Считается, что для
полного закрепления пленка должна находиться в фиксаже в
течение удвоенного времени осветления.
После закрепления пленку необходимо промыть, чтобы уда-
лить с эмульсии остатки реактивов. Промывкой никогда не
удается полностью уничтожить следы фиксажа; цель ее — уда-
лить фиксаж настолько, чтобы рентгеновский снимок не обес-
цветился в течение определенного периода времени. Время
промывки должно составлять не менее 30 мин. Для ускорения
сушки пленки можно использовать сушильные шкафы, в кото-
рых циркулирует подогретый воздух; однако следует иметь
в виду, что слишком теплый воздух вызывает коробление
пленок.
Типы пленок. Многочисленные типы пленок, применяемых в
настоящее время, различаются по степени чувствительности,
контрастности и размеру зерна. С увеличением чувствительно-
сти возрастает зернистость пленок. Высококонтрастные пленки,
как правило, являются мелкозернистыми и менее чувствитель-
ными, чем пленки пониженной контрастности. Мелкозернистые
пленки позволяют получать более детализированное изображе-
ние, чем пленки с крупным зерном. В основном применяются
два типа рентгеновских пленок. Пленки первого типа предна-
значены для использования с флуоресцирующими усиливаю-
щими экранами, но могут использоваться и без экранов. Плен-
ки второго типа используются без флуоресцирующих экранов;
при работе с ними часто применяют усиливающие экраны из
свинцовой фольги. В табл. 9 приведены некоторые характерис-
тики рентгеновских пленок фирмы Кодак.
Различные участки полностью обработанной радиограммы
отличаются один от другого количеством металлического се-
ребра на единице площади пленки. Плотность пленки опреде-
ляется количеством видимого света, пропускаемого данным
участком. Прозрачность Т пленки определяется по формуле
T =	(6.17)
А)
где It — интенсивность света, прошедшего через пленку;
/о — интенсивность света, падающего на пленку.
4 Испытания без разрушения	97
Таблица 9
Пленки фирмы Кодак для промышленной радиографии
Типы пленки	Относительная чувствителыюсть			
	Для просвечивания рентгеновскими лучами			Для просвечивания гамма-лучами экраны из свин- цовой фольги
	алюминия и других легких сплавов; без экрана	тонкой стали и латуни; экраны из свинцо- вой фольги	при напря- жении на трубке 1 Мв; экраны из свинцовой фольги	
М	30	40	30	30
А	100	100	100	100
F	200	200	200	360
К	530	400	425	500
No Screen	600	400	250	300
Blue Brand	200	200	200	360
АА	130	170	—	230
Примечания. 1. Время нормального проявления при 20° С составляет 5 мин, конт- растного—8 мин. 2. Пленки типов М, A, No Screen высококонтрастные, остальные— среднеконтрастные.				
Плотность почернения пленки D определяется как десятич-
ный логарифм обратной величины прозрачности
n = ig-l = igA.	(6Л8)
1 ч
Плотность почернения пленки, пропускающей половину па-
дающего на нее света, составляет 1g 2 = 0,3. Пленка, пропускаю-
щая одну десятую падающего на нее света, имеет плотность по-
чернения, равную 1,0.
Плотность почернения пленки зависит от интенсивности из-
лучения I и времени экспонирования t. Произведение этих ве-
личин называется экспозицией:
Е = kit,	(6.19)
где Е— экспозиция;
k — коэффициент пропорциональности;
I — интенсивность излучения;
t-—время экспонирования.
Величину экспозиции можно выразить в зависимости от ве-
личины тока М рентгеновской трубки
Е = klt = CMt,	(6.20)
где С — постоянная;
М — ток трубки в ма.
98
Логарифм относительной
экспозиции
Фиг. 58. Характеристические
кривые.
Таким образом, экспозиция при токе в 10 ма в течение
2 мин в 4 раза превышает экспозицию при токе в 5 ма в тече-
ние 1 мин при условии, что все остальные факторы сохраняются
в обоих случаях одинаковыми. Отдельные участки одной и той
же пленки, снятые с различными экспозициями, будут харак-
теризоваться различной плотностью почернения. На фиг. 58
представлен график плотности по-
чернения в функции логарифма от-
носительной экспозиции. Кривые -по-
добного рода называются характе-
ристическими кривыми. Наклон кри-
вой меняется по ее длине, причем
контрастность пленки максимальна
в той области значений экспозиции,
где характеристическая кривая име-
ет наибольший наклон. Рабочий
участок пленки соответствует прямо-
линейному отрезку характеристиче-
ской кривой и, как правило, лежит
в пределах значений плотности по-
чернения от 0,7 до 2,0. Практиче-
ский способ определения экспози-
ции, соответствующей заданной
плотности почернения, можно показать на следующем примере.
Рентгеновский снимок, сделанный на пленке типа F при экспо-
зиции 12 ма-мин, имеет плотность почернения 0,8. Для достиже-
ния большей контрастности желательно увеличить плотность по-
чернения до 2,0. Требуемая экспозиция определяется на основа-
нии кривой 2 (фиг. 58):
для Т>] = 0,8	lg Ei = 1,30;
для £>2 = 2,0	lg Е2 = 1,97;
lgS2 —lg^! = lg(Z^)2 —lg(Z2f)i;	(6.21)
0,67 = lg(/02- lg(12).
(It)2 = 57,12 ма-мин,
т. e. экспозиция должна быть увеличена в 4,68 раза. i
Контрастность может быть определена как разность в плот-
ности почернения пленки, обусловленная изменением толщины
или плотности испытываемого изделия. Выявляемость дефекта
определяется именно контрастностью участков пленки, соответ-
ствующих изображению дефектного и бездефектного материа-
лов. Чем больше разница в оптической плотности этих участ-
ков, тем легче дефект может быть обнаружен. На основании
4* 99
ская нерезкость: .
1 — объект, 2 — пленка,
3 — радиографическое
изображение.
фиг. 58 можно заключить, что контрастность возрастает с уве-
личением угла наклона характеристической кривой.
Общее почернение рентгеновской пленки при экспонировании
определяется тремя факторами: первичным излучением, вторич-
ным (рассеянным) излучением и фото-
графической вуалью. Вуальное почерне-
ние либо обусловлено самой природой
пленки, либо возникает при работе с
пленкой и ее обработке. Вторичное из-
лучение рассеивается во всех направле-
ниях, поэтому, если не принять мер для
его устранения, то пленка может потем-
неть или завуалироваться, в результате
чего уменьшается контрастность.
Геометрические факторы. Так как рент-
геновский снимок по существу является
теневой картиной, качество полученного
изображения зависит от относительного
расположения изделия и пленки, а также
от размеров фокусного пятна рентгенов-
ской трубки. Точечный источник излуче-
ния был бы идеальным; на самом деле,
так как фокусное пятно имеет определен-
ный размер, контур изображения изде-
некоторой размытостью или нерезкостью,
лия характеризуется
как это показано на фиг. 59. Из подобия треугольников
FF'
d t ’
(6.22)
откуда
С/==(£П2>	(б23)
d
где FFf — размер фокусного пятна;
d — расстояние между источником и изделием;
U — величина нерезкости;
t — расстояние между изделием и пленкой.
Как можно заключить из уравнения (6.23), чем меньше фо-
кусное пятно, тем больше резкость. Уравнение (6.23) также
показывает, что резкость прямо пропорциональна расстоянию
от источника до изделия. На практике желательно использо-
вать максимально возможное расстояние от мишени до пленки,
но совместимое с приемлемым временем экспозиции (время
экспозиции прямо пропорционально квадрату расстояния). Ме-
жду расстоянием от изделия до пленки существует прямая
зависимость; по этой причине пленку следует располагать как
можно ближе к изделию. В общем, чем больше отношение d/t,
100
тем лучше четкость рентгеновского снимка. Четкость или де-
тальность является характеристикой рентгеновского снимка,
описывающей резкость изображения.
Фильтры. Иногда между источником излучения и изделием
размещают фильтры в виде металлических листов, которые слу-
жат для поглощения мягкой, т. е. длинноволновой части излу-
чения. Мягкое излучение в значительно большей степени, чем
жесткое, подвержено рассеиванию. В тех случаях, когда про-
свечиваются изделия переменной толщины, желательно ис-
пользовать фильтры также и для того, чтобы уменьшить пере-
облучение пленки в зоне малых толщин и улучшить контраст-
ность. Таким образом, изделие с большим диапазоном толщин
может быть снято па одну пленку. Фильтры требуют увеличения
времени экспозиции, так как суммарная толщина просвечивае-
мого материала возрастает. В том случае, когда фильтр раз-
мещается между изделием и пленкой, он называется экраном.
Экраны. Приблизительно 99% рентгеновских лучей, падаю-
щих на пленку, свободно проходят через нее, не вызывая в фо-
тоэмульсии никаких фотохимических реакций. Для сокращения
времени экспозиции и улучшения качества рентгенограммы на
практике часто применяют усиливающие экраны. Существует
два вида усиливающих экранов: свинцовые и флуоресцирую-
щие, в которых используется вольфрамат кальция.
Свинцовый экран представляет собой тонкую свинцовую
фольгу, наклеенную на картонную подложку. Усиливающее дей-
ствие свинцового экрана обусловливается воздействием на
эмульсию пленки электронов, испускаемых с поверхности фоль-
ги в результате взаимодействия первичного рентгеновского
излучения с материалом экрана, воздействием вторичного рентге-
новского излучения с материалом экрана, а также воздействием
вторичного рентгеновского излучения от экрана. Электроны
вызывают в эмульсии фотохимические реакции, причем степень
фотохимического действия электронов значительно выше, чем
первичного электромагнитного излучения.
Усиливающие экраны должны быть плотно прижаты к плен-
ке; в противном случае электроны, эмитируемые экраном, будут
создавать смазанное изображение. Свинцовые экраны также
поглощают мягкое рассеянное излучение от просвечиваемого
изделия, вследствие чего четкость рентгенограммы повышается.
Часто используются парные свинцовые усиливающие экраны,
причем пленка размещается между ними. Экран, размещенный
между источником излучения и пленкой, называется передним,
а размещенный за пленкой — задним. В промышленной радио-
графии передний экран обычно имеет толщину 0,12 мм, зад-
ний— от 0,12 до 0,38 мм. Передний экран оказывает большее
усиливающее действие, так как интенсивность испускаемых
свинцом электронов максимальна в направлении первичного
излучения. Передний экран действует также как фильтр,
101
отсеивающий мягкие лучи. При низких напряжениях на трубке
фильтрующее действие переднего экрана может привести к не-
обходимости увеличить экспозицию. Задний экран уменьшает
вредное влияние обратного рассеянного излучения, распростра-
няющегося от любых предметов, расположенных за пленкой,
например, от кассет.
Усиливающее действие экранов увеличивается по мере воз-
растания энергии излучения. Пороговая энергия высвобожде-
ния электрона с /(-орбиты атома свинца составляет 87,5 кэв.
Следовательно, для образования электрона, способного вызвать
Фиг. 60. Зависимость коэффициента усиления от
толщины свинцового экрана (двойной экран):
/—1000 кв, 2—250 кв, 3—210 кв, 4—YI5 кв.
фотохимическую реакцию в эмульсии, энергия фотона должна
превышать 87,5 кэв. В общем случае фотохимическое воздействие
на эмульсию при использовании экранов определяется нало-
жением двух процессов: поглощением первичных рентгеновских'
лучей передним экраном и испусканием передним и задним,
экранами электронов. Результирующий коэффициент усиления;
определяется величиной уменьшения экспозиции в результате
применения экранов,	!
Для качественного определения усиливающего влияния;
свинцовых экранов различной толщины были проведены иссле-i
дования [3]. Полученный при этом график зависимости коэф-]
фициента усиления (двойной экран) от толщины экранов для^
четырех значений напряжения на трубке показан на фиг. 60.1
Можно заметить, что максимальное усиление для напряжений
175, 210 и 250 кв имеет место при толщине свинца порядка^
0,025 мм. Максимальное усиление для напряжения 1000 кв до-
стигается при толщине свинца 0,075 мм. В этой же работе
показано, что максимальное усиление для энергии 2 Мэв до-
стигается при 0,18 мм, а для энергии 10 Мэв — при 0,64 мм,
График зависимости коэффициента усиления от толщины
переднего, заднего и двойного экранов представлен на фиг. 61
Максимальный коэффициент усиления был получен при перед-
102
нем экране толщиной 0,025 мм и напряжении от 140 до 250 кв.
Как видно из фиг. 61, влияние заднего экрана становится зна-
чительным при толщине 0,025 мм, после чего коэффициент уси-
ления остается постоянным вплоть до толщины 0,25 мм. Коэф-
фициент усиления двойного экрана меняется от 2 для напря-
жения 140 кв до 4,7 для напряжения 1000 кв.
При обычных толщинах свинцовых экранов задний экран
дает большую долю плотности радиографического изображе-
ния. Фотоэлектроны возникают на поверхности заднего экрана,
Фиг. 61. Зависимость коэффициента усиления от
толщины свинцового экрана для стали толщиной
2,5 см при напряжении на трубке 250 кв\
/ — двойной экран, 2 — задний экран, 3 — передний эк-
ран.
и вследствие этого для толщин, больших чем 0,025 мм, коэф-
фициент усиления остается постоянным. Свинцовые экраны при
напряжениях ниже 140 кв теряют большую часть своей эффек-
тивности; однако задний экран способствует образованию кон-
трастного изображения вплоть до напряжения 80 кв, поэтому
использовать задний экран в интервале низких напряжений
также целесообразно.
На величину коэффициента усиления свинцовых экранов
влияет также толщина изделия. При просвечивании тонкой
стали коэффициент усиления в случае использования двойного
экрана больше, чем при использовании одного только перед-
него или заднего экрана. Эффект усиления при использовании
свинцовых экранов достигает максимума при толщине стали
12—20 мм в интервале напряжений от 140 до 250 кв.
Симэн [4] исследовал другие материалы для усиливающих
экранов и пришел к заключению, что наилучшим материалом
является свинец. Правда, экран не влияет на четкость или зер-
нистость радиографического изображения. Нужно отметить, что
даже тонкие слои постороннего материала хорошо поглощают
электроны, поэтому для достижения максимальной эффектив-
ности экран должен находиться в хорошем контакте с пленкой.
103
Поверхность экрана, контактирующая с пленкой, должна быть
также свободна от посторонних включений.
Применение экранов из вольфрамата кальция дает воз-
можность уменьшить экспозицию и просвечивать более тол-
стые сечения на установках умеренной мощности. Пленка обыч-
но помещается между двумя такими экранами. Под действием
____________________рентгеновских лучей экран флуо-
Напряжение
Фиг. 62. Зависимость коэффициен-
та усиления от напряжения на
трубке для экрана из вольфрама-
та кальция.
ресцирует голубовато-белым све-
том. Интенсивность свечения эк-
рана определяется интенсивно-
стью падающего излучения. Дли-
на волны испускаемого свечения
соответствует области максималь-
ной чувствительности эмульсии
рентгеновской пленки. Флуорес-
цирующее покрытие в виде тон-
кого порошка вольфрамата каль-
ция, диспергированного в связую-
щем веществе, наносится тонким
слоем на картонную подложку»
Достижимый коэффициент
усиления при использовании воль-
фрамата кальция лежит в преде-
лах от 10 до 100. Зависимость
коэффициента усиления экранов
из вольфрамата кальция от на-
пряжения показана на фиг. 62. Чем крупнее зерно флуоресци-
рующего порошка, тем интенсивнее свечение и тем больше уси-
ление. Однако увеличение размеров кристаллов вольфрамата
кальция приводит к увеличению зернистости и ухудшению четко-
сти изображения. Как правило, рентгеновский снимок, получен-
ный с использованием флуоресцирующих экранов, имеет пони-
женную четкость во сравнению со снимками, полученными без
таких экранов или с применением свинцовых фольг.
Ухудшенная четкость обусловливается в данном случае рас-
сеянием видимого света, испускаемого экраном. Вследствие
этого необходимо обеспечивать хороший контакт между плен-
кой и экраном, так как плохой контакт приводит к увеличению
рассеяния, и изображение получается смазанным. По этой при-
чине экраны из вольфрамата кальция используются редко, за
исключением тех случаев, когда требуется резкое уменьшение
экспозиции. Применение усиливающих экранов из вольфрамата
кальция становится необходимым при просвечивании стальных
изделий толщиной более 40 мм при напряжении 200 кв и более
75 мм при напряжении 400 кв.
Сочетание положительных качеств как свинцового экрана,
так и экрана из вольфрамата кальция может быть до некото-
рой степени достигнуто при размещении свинцового экрана
104
между источником излучения и пленкой, а флуоресцирующего
экрана — на обратной стороне пленки. Такое расположение эк-
ранов позволяет уменьшить время экспозиции, не снижая за-
метно резкости изображения. В последнее время успешно
применяются усиливающие экраны на основе сульфата бария,
.активированного свинцом. Максимум свечения этих экранов
наступает при длине волны 3800 А (для вольфрамата кальция
при длине волны 4300 А), что соответствует максимальной чув-
ствительности рентгенопленок. Вследствие этого применение
таких экранов дает больший фотографический эффект; напри-
мер, при использовании экранов на основе сульфата бария, ак-
тивированного свинцом, требуется в 1,5 раза меньшая экспо-
зиция, чем при использовании экранов из вольфрамата каль-
ция.
Регистрация рентгеновских лучей. Прохождение заряженных
атомных или ядерных частиц через вещество вызывает воз-
буждение и ионизацию молекул вещества; эти явления обуслов-
лены непосредственным взаимодействием электрического поля
заряженных частиц с орбитальными электронами. Прохожде-
ние через вещество рентгеновских и гамма-лучей не сопровож-
дается непосредственной ионизацией. Однако в процессе погло-
щения рентгеновских и гамма-лучей атомами вещества испус-
каются электроны, энергия которых достаточно высока для
того, чтобы вызвать ионизацию молекул на некотором отрезке
своей траектории.
Если заряженная частица проходит через газ, заполняющий
камеру, поперек которой создано электрическое поле, то пер-
вичные ионы разного знака будут двигаться в противополож-
ных направлениях в соответствии со знаком их заряда и рас-
положением электродов. Такие газонаполненные камеры, ис-
пользуемые для собирания ионов, образуемых падающим
ионизирующим излучением, называются «ионизационными ка-
мерами». Ионизационная камера состоит из цилиндрической
проводящей оболочки, по оси которой расположен изолирован-
ный от нее центральный электрод. Если интенсивность падаю-
щего на камеру излучения сохраняется постоянной, а прило-
женное напряжение возрастает, то ток через камеру увеличи-
вается лишь до тех пор, пока напряжение не достигнет неко-
торого определенного значения, после чего ток не увеличи-
вается.
Предельное значение тока называется током насыщения и
•соответствует такому режиму работы камеры, когда все первич-
ные ионы осаждаются на электродах противоположного знака,
и рекомбинация ионов полностью отсутствует. Однако при даль-
нейшем увеличении разности потенциалов между центральной
нитью и оболочкой происходит следующее явление. Первичные
ионы, образованные заряженными частицами, разгоняясь под
действием сильного электрического поля, при столкновении с
юз
молекулами газа вызывают возникновение вторичных ионов,
вследствие чего ток резко увеличивается. При этом величина
импульса тока на выходе ионизационной камеры пропорцио-
нальна энергии излучения. Такие камеры называются «пропор-
циональными счетчиками». Если продолжать увеличивать напря-
жение, то наступит такой момент, когда прохождения одной
пары ионов через камеру будет достаточно для того, чтобы вы-
звать значительный импульс тока ионизации. Величина импульса
Фиг. 63. Зависимость величины им-
пульса от напряжения на трубке:
/ — область рекомбинации, II — режим ра-
боты ионизационной камеры, III— область
пропорциональности, IV — переходная об-
ласть, iz — область работы счетчиков Гей-
гера-Мюллера, VI — тлеющий разряд; 1 —
альфа-частицы, 2 — космические лучи.
Напряжение
Фиг. 64. Счетная характеристика
счетчика Гейгера.
не зависит от начальной ионизации. Эти регистрирующие при-
боры известны под названием счетчиков Гейгера-Мюллера. При
дальнейшем увеличении напряжения в камере возникает непре-
рывный разряд. На фиг. 63 приведена величина импульса (в в)
в функции от напряжения, приложенного к аноду трубки.
На фиг. 64 показана типичная счетная характеристика счет-
чика Гейгера, представляющая собой график скорости счета в
функции от потенциала на трубке при постоянном во времени
уровне излучения. Счетная характеристика имеет ярко выражен-
ный участок, для которого скорость практически не зависит от
приложенного напряжения. Хорошие счетчики Гейгера имеют
плато длиной от 200 до 400 в.
Сцинтилляционные счетчики. Прохождение рентгеновских и
гамма-лучей через некоторые жидкие или твердые вещества —
фосфоры — сопровождается испусканием видимого или ультра-
фиолетового света. Наблюдение и измерение количества свето-
вых «вспышек», или сцинтилляций, вызываемых в фосфоре от-
дельными ионизирующими частицами, составляет основу ме-
тода регистрации рентгеновских и гамма-лучей при помощи
сцинтилляционных счетчиков. Усовершенствование фотоэлек-
тронных умножителей сделало возможным детектирование и
106
счет сцинтилляций электронными методами. Фотоэлектронный
умножитель (фиг. 65) преобразует световые вспышки в им-
пульсы тока.
Основные процессы, происходящие при регистрации и изме-
рении ионизирующего излучения при помощи сцинтилляционно-
го счетчика, показаны на фиг. 66. Падающая частица проникает
в фосфор-сцинтиллятор, где ее энерг
цию и возбуждение молекул. Часть
этой энергии преобразуется в фото-
ны, которые испускаются во всех
расходуется на иониза-
Фиг. 66. Сцинтил-
ляционный счет-
чик:
1 — рефлектор, 2 —
сцинтиллятор. 3--
фотокатод, 4 — умно-
жительные диноды
5— выходной импульс.
Фиг. 65. Фотоэлектронный умно-
житель:
1—10 — диноды, 11 — анод, 12 — сетка,
13 — ускоряющий электрод, 14 — внут-
реннее проводящее покрытие, 15 — па-
дающий свет, 16— полупрозрачный фо-
токатод, 17 — экран.
направлениях. Некоторое количество фотонов попадает на све-
точувствительный катод фотоэлектронного умножителя и вы-
бивает с его поверхности первичные фотоэлектроны. Эти фото-
электроны ускоряются под действием разности потенциалов
между катодом и первым электродом трубки фотоумножителя.
При соударении с первым динодом каждый фотоэлектрон в ре-
зультате вторичной эмиссии создает большое количество вто-
ричных электронов. Этот процесс умножения электронов повто-
ряется на всех последующих динодах. Каждый динод находится
под более высоким потенциалом, чем предыдущий.
В конце концов после увеличения в 106—109 раз электронная
лавина достигает коллекторной пластины. Это вызывает им-
пульс напряжения на выходном конденсаторе, который подсое-
динен к электромеханической схеме, регистрирующей импульсы.
Таким образом, первоначальная энергия единичной заряжен-
ной частицы преобразуется в единичный импульс напряжения.
Все устройство должно быть заключено в светонепроницаемый
107
ящик, чтобы исключить любые посторонние эффекты за исклю-
чением тех, которые обусловлены регистрируемым ионизирую-
щим излучением.
Когда некоторые полупроводники, такие, как сульфид кад-
мия и селенид кадмия, подвергаются облучению рентгеновски-
ми лучами, их электрическое сопротивление изменяется. При
относительно низких уровнях облучения между фототоком и
интенсивностью рентгеновских лучей сохраняется линейная
зависимость. При более высоких уровнях возникает эффект
насыщения. Кристалл сульфида кадмия сам по себе является
отличным усилителем потока электронов; коэффициент усиле-
ния его равен 104—106. Важным преимуществом счетчиков,
использующих такие датчики, является высокий коэффициент
поглощения по сравнению с другими индикаторами.
Полупроводниковый детектор может быть сконструирован
таким образом, чтобы его эффективная площадь составляла
всего несколько квадратных миллиметров. Вследствие малых
размеров детекторы такой конструкции работают почти как
точечные детекторы. Фрерихс и Джэйкобс [5] использовали
сульфид кадмия для измерения уровня жидкости; заданный
уровень жидкости в сосуде с успехом поддерживался с точно-
стью ±1,6 'мм. Кристаллические полупроводниковые детекторы
обладают высокой чувствительностью и разрешающей способ-
ностью, устойчивы различным воздействиям и долговечны.
Сульфид кадмия часто используется для регистрации пульси-
рующего рентгеновского излучения. Переменная составляющая
фототока достигает постоянного значения спустя несколько
циклов, в то время как нарастание постоянной составляющей
происходит медленнее. Для обычного кристалла CdS, исполь-
зуемого при регистрации рентгеновских лучей, время, в течение
которого постоянная составляющая фототока достигает 95%
своего конечного значения, составляет около 5 сек.
Практика промышленной рентгенографии. Целью настояще-
го раздела является указать те факторы, которые оператор мо-
жет контролировать в процессе получения рентгеновского сним-
ка, а также тот объем информации, который необходим для
эффективного контроля. Очевидно, что оператор не в состоянии
изменить материал изделия или его толщину. Оператор, одна-
ко, может регулировать рабочие характеристики рентгеновской
трубки и применять по своему выбору то или иное регистриру-
ющее оборудование. Кроме того, он может в разумных грани-
цах выбирать относительное расположение источника рентге-
новских лучей и регистрирующего прибора. Основной пробле-
мой, следовательно, является подбор такого сочетания этих
переменных факторов, которое обеспечило бы получение рент-
геновского снимка, с наибольшей полнотой выявляющего неод-
нородность структуры изделия. Оператор должен знать размер
наименьшего дефекта, который может быть зарегистрирован
108
в подобранных им условиях просвечивания, так как обычно
именно этот параметр определяет применимость того или иного
метода. В табл. 10 приведены практические границы толщин
различных материалов, которые могут быть проконтролированы
Таблица 10
Область применения промышленных рентгеновских аппаратов
Максимальное напряжение в кв	Усиливающие экраны	Материал и диапазон просвечиваемых толщин
50 150 250 400 100 2000 Приме другого металл	Отсутствуют Отсутствуют; возможны экраны из свинцовой фольги Вольфрамат кальция Свинцовая фольга Вольфрамат кальция Свинцовая фольга Вольфрамат кальция Свинцовая фольга Свинцовая фольга ч а н и е. Нормы, приведенные ia эквивалентной толщины.	Очень тонкие металлические изделия; дерево, пластики, биологические объекты и т. п. Легкие сплавы, 115 мм алюминия или эквивалентная толщина дру- гого металла; 25 мм стали 40 мм стали 50	»	» 75	»	» 75	»	» 100	»	» 125	»	» 200	»	» 1 для стали, можно пересчитать для любого
при помощи обычных промышленных источников рентгеновских
лучей.
Коэффициенты радиографической эквивалентности различ-
ных материалов представлены в табл. 11. Эти коэффициенты
могут быть использованы при определении величины экспози-
ции для любого материала, если известен график экспозиции,
составленный для какого-либо исходного материала. В табл. И
при напряжении на трубке 50 и 100 кв в качестве стандартного
металла принят алюминий, при более высоких напряжениях —
сталь. Чтобы получить приблизительную эквивалентную тол-
щину стандартного металла, достаточно умножить толщину
просвечиваемого материала на коэффициент, указанный в
табл. 11; например, требуется подвергнуть просвечиванию медь
толщиной 12,5 мм при напряжении 200 кв; эквивалентная тол-
щина стали составит в этом случае 12,5X 1,4 = 17,5 мм. Необхо-
димая величина экспозиции определяется по графику экспози-
ции для стали толщиной 17,5 мм.
Контрастность рентгеновского снимкй является его важней-
шей характеристикой; именно этот фактор обусловливает для
оператора возможность рассмотреть дефект. Контраст-
ность рентгеновского снимка является результатом разности
интенсивности облучения различных участков пленки. Способ-
109
Таблица И
Приблизительные коэффициенты радиографической эквивалентности для различ-
ных металлов
ЛАеталл
50	100	150	200	1000	Гамма-
кв	кв	кв	кв	кв	лучи
Алюминий......................
Магний ......................
Сплав 24 ST..................
Сталь .......................
Нержавеющая сталь марки 18-8
Медь ........................
Цинк ........................
Латунь *	..................
Свинец ......................
1,0	1,0
0,6 1,4	0,6 1,2 22	1,0	1,0	1,0	1,0
		1,0	1,0		
		1,5	1,4		
		1,4	1,3		
		1,4*	1,3*	1,2*	1,1*
		12	12	5	2,3
* Добавки олова или свинца увеличивают приведенные в таблице значения коэффи-
циента радиографической эквивалентности.
ность пленки улавливать эту разницу интенсивностей опреде-
ляется углом наклона характеристической кривой при некото-
рой заданной плотности. Этот угол наклона называется гра-
диентом.
Если характеристическая кривая имеет значительный по
протяженности прямолинейный участок (см. фиг. 58), то на-
клон этого участка называется «гаммой» пленки. Среднее зна-
чение гаммы определяется как наклон прямой линии, .соединяю-
щей две точки на характеристической кривой, соответствующие
выбранным значениям плотности почернения. Характеристиче-
ская кривая позволяет определить чувствительность данного
типа пленки. Сдвиг характеристической кривой влево означает
увеличение чувствительности; таким образом, эквивалентную
плотность почернения можно получить при меньшей интенсив-
ности просвечивающих лучей либо при уменьшенном времени
экспонирования. Как показано на фиг. 58, светочувствитель-
ность иногда определяется инерцией пленки.
На практике наиболее распространенным методом опреде-
ления светочувствительности является сравнение относитель-
ных величин экспозиции, требуемых для получения некоторой
заданной плотности почернения. В отношении контрастности
рентгеновского снимка существует следующее общее правило:
контрастность радиографического изображения тем выше, чем
ниже напряжение на трубке. Практически это означает, что
следует выбирать наименьшее напряжение на трубке, возмож-
ное для достижения необходимой плотности пленки и прием-
лемой экспозиции.
С контрастностью тесно связано понятие широты пленки.
Широта пленки определяется как интервал экспозиций, соот-
ветствующих определенному диапазону плотности почернения.
по
Интервал экспозиции откладывают на оси абсцисс графика «ве-
личина экспозиции — плотность почернения» в логарифмическОхМ
десятичном масштабе. Широта определяет область толщин
изделия, которые могут быть эффективно проконтролированы
при одной и той же экспозиции.
Графики экспозиции. Для практики полезными являются
графики экспозиции, позволяющие выбрать правильные условия
просвечивания. Эти графики содержат серию кривых, опреде-
ляющих зависимость величины экспозиции для данной плот-
ности почернения пленки от толщины изделия. Каждый график
составлен для определенного материала, фиксированного рас-
стояния от пленки до источника излучения и данной комбина-
ции усиливающих экранов. Тремя переменными факторами
являются напряжение на трубке, толщина материала и экспо-
зиция. Любая пара этих величин может быть задана произ-
вольно, но третья величина определяется графиком экспозиции.
Экспозиция может быть выражена в миллиампер-секундах или
же, если график составлен при фиксированном значении тока
трубки, — в секундах. Если время экспозиции откладывать на
графике в логарифмическом масштабе, то зависимость между
этой величиной и толщиной материала будет почти линейной.
В распоряжении оператора должна находиться серия графиков
экспозиции, соответствующих всем встречающимся на практике
материалам и комбинациям экранов. При использовании гра-
фиков получение правильно экспонированных рентгенограмм
значительно упрощается. Рассмотрим в качестве примера про-
свечивание сварного изделия толщиной 25 мм; усиливающие
экраны — свинцовые; желательно использовать трубку, ток
которой равен 10 ма; время экспозиции — 300 сек. Из фиг. 67,6
следует, что требуемое напряжение на трубке составляет
180 кв. Этот график экспозиции можно использовать и в усло-
виях, отличных от заданных, если ввести соответствующие
поправочные коэффициенты. Поправки на расстояние между
источником излучения и пленкой берут согласно закону обрат-
ных квадратов. Если просвечиванию должны быть подвергнуты
различные материалы, то вводится коэффициент эквивалент-
ной толщины (см. табл. 11). Пересчетный коэффициент, учи-
тывающий изменение светочувствительности при использовании
пленок разных типов, обычно указывается в характеристиках
пленки.
Четкость или детальность изображения дефекта на рентге-
новском снимке также зависит от ряда факторов. Четкость
снимка играет немаловажную роль, так как глаз значительно
лучше улавливает дефекты пониженной контрастности в том
случае, если его очертания достаточно резки. Четкость рент-
геновского изображения прежде всего зависит от геометриче-
ских факторов: размера фокусного пятна, расстояния от фокуса
трубки до дефекта и от дефекта до пленки. Установлено, что
111
ширина нерезкой области или полутени, окружающей истинную
тень от дефекта,’ равна Ftjd, где F — эффективный диаметр
фокусного пятна, t — расстояние от дефекта до пленки и
d — расстояние от фокуса трубки до дефекта. Как следует из
этой формулы, четкость изображения дефекта улучшается при
Фиг. 67. Графики для определения времени экспозиции при про>
свечивании стали:
с — с использованием экранов из вольфрамата кальция, расстояние от
источника до пленки 90 см, пленка высокой чувствительности, б — с ис-
пользованием свинцовых экранов толщиной 0,1'25 мм, плотность 1,5, плен-
ка Eastman Type A, Ansco Superay А или Du Pont 50 6.
использовании трубки с малым фокусным пятном, при разме-
щении пленки ближе к дефекту и при удалении рентгеновской
трубки от дефекта. Любое искажение рентгенограммы, как
правило, нежелательно. В исключительных случаях преднаме-
ренное искажение может быть полезным: когда необходимо
увеличить снимок; когда одна часть изображения наклады-
вается на другую и целесообразно исключить наложение; когда
112
глубина залегания дефекта под поверхностью изделия опреде-
ляется путем триангуляции.
Контрастность объекта является лимитирующим фактором,
определяющим чувствительность метода при просвечивании
материалов с низкой плотностью и малым атомным числом;
например, коэффициент поглощения излучения на единицу тол-
щины у алюминия значительно меньше, чем у стали. Следова-
тельно, для того чтобы вызвать определенное изменение интен-
сивности пропускаемого рентгеновского излучения, потребуется
большее по сравнению со сталью изменение толщины алюми-
ния; это и означает, что изделие из алюминия имеет меньшую
контрастность при просвечивании, чем изделие из стали. Раз-
ница в контрастности подобных объектов до некоторой степени
компенсируется тем, что при просвечивании алюминия требуется
меньшая энергия излучения, чем при просвечивании стали той
же толщины. Изменение толщины стали величиной 1 % уже
может быть зафиксировано на пленке, тогда как для алюминия
и других легких металлов регистрация 2%-ного изменения тол-
щины затруднительна.
Эталоны (дефектометры). Термин «радиографическая чет-
кость» определяет степень той резкости, с которой рентгено-
грамма выявляет любые нарушения однородности в материале
изделия. Для определения радиографической четкости на прак-
тике используются специальные эталоны (фиг. 68). Эталон
представляет собой полосу того же материала, из которого
изготовлено просвечиваемое изделие; толщина эталона равна
некоторой определенной доле (обычно порядка нескольких
процентов) толщины изделия. При рентгенографировании эта-
лон, как правило, располагают на поверхности, обращенной
к источнику излучения, вблизи той области, с которой сни-
мается рентгенограмма.
В том случае, когда трудно или невозможно расположить
эталон непосредственно на изделии, допускается размещать
его на пленке. Если на рентгенограмме можно рассмотреть
контур эталона, а толщина его, например, равна 2% от тол-
щины изделия, то это означает, что радиографическая чувстви-
тельность составляет не менее 2%. В эталонах такого типа
обычно просверлены отверстия различных диаметров, изобра-
жение которых служит критерием того, насколько ясно может
быть выявлен дефект. Эталон можно рассматривать как нало-
женный дефект. Так как он размещается на той стороне изде-
лия, которая ближе к источнику, то по отношению к пленке
его положение является наихудшим.
Эталон представляет собой идеальный дефект, так как его
контур и отверстия резко очерчены; на границе эталона про-
исходит резкое изменение суммарной толщины материала, в то
время как действительный дефект дает постепенное изменение
толщины на границе дефект — бездефектная зона. Кроме того,
113
действительные дефекты часто рассредоточены и имеют непра-
вильные очертания. Вследствие этого раковина, диаметр и
толщина которой равны соответственно диаметру отверстия и
толщине эталона, может быть не выявлена, несмотря на то.
что изображение отверстия четко просматривается.
Фиг. 68. Эталоны чувствительности (дефектометры):
а — для металлов толщиной до 65 мм, толщина эталона от 0,125 до 1.25 мм, б —
для металлов толщиной до 200 мм, толщина эталона от 0,15 до 4,0 мм, в — для
металлов толщиной свыше 200 мм, толщина эталона 4,5 мм и выше, г — ступен-
чатые эталоны. 0 — эталон с тремя отверстиями, е — эталон, установленный
нормами котлостроения, ж — ступенчатый эталон, установленный Морским ве-
домством США.
Находят применение четыре вида эталонов: плоские, сту-
пенчатые, проволочные и валиковые. Некоторые типы эталонов
показаны на фиг. 68. На практике в каждом особом случае
вид эталона и приемлемая степень видимости его изображения
на рентгеноснимке устанавливаются различными техническими
нормами. Следует помнить, что эталоны не позволяют судить
о размере минимального дефекта, который может быть обнару-
жен; эталоны служат лишь в качестве указателя опреде-
1 14
ленного стандарта контрастности и резкости, устанавливаемого
в каждом отдельном случае из условия выявляемое™ наиболее
опасных в данном случае дефектов.
Чувствительность современных методов радиографического
контроля, измеренная с помощью эталонов, достигает 1—2%
в широком диапазоне толщин.
В радиографии, кроме понятия эталонной чувствительности,
существует также понятие радиографической чувствительности.
Установлено [6], что разница в плотности почернения, обуслов-
ленная малым изменением толщины однородного образца,
определяется формулой
ДГ> = 0,434-^ЛТ,	(6.24)
где АО — изменение плотности почернения;
у — градиент пленки при плотности £);
ц — линейный коэффициент поглощения излучения;
А 7’ — изменение толщины.
Радиографическая чувствительность
•	(6.25)
т ЧР-Т
Если в качестве AZ) принять минимальную воспринимаемую
разницу в плотности почернения, которая колеблется от 0,005
до 0,02, и положить эту величину равной ее среднему значе-
нию 0,01 [7], то радиографическая чувствительность будет опре-
деляться формулой
— = -023 .
Т
Эта формула строго справедлива только для моноэнер-
гетического излучения. Следует отметить, что между чув-
ствительностью, вычисленной по формуле (6.26), и эталонной
чувствительностью, определенной экспериментально, существует
некоторое расхождение.
Экспонирование на нескольких пленках. В некоторых слу-
чаях теневое изображение изделия регистрируется на двух или
более пленках, помещенных в одну кассету. Такой метод
исключает ошибки, обусловленные дефектами пленки, так как
только тот дефект, изображение которого есть на всех пленках,
определяется как дефект изделия. Несколько пленок приме-
няется для того, чтобы охватить при однократном экспонирова-
нии возможно более широкий диапазон толщин. При этом
в одну кассету помещают две или более пленок разной свето-
чувствительности; например, используя пленки Kodak No Screen
и Ansco Super-ray А с коэффициентом экспозиции, равным 100,
возможно просвечивать стальные изделия толщиной до 75 мм.
115
Если коэффициент экспозиции равен 200, то диапазон просве-
чиваемых толщин в эквиваленте для стали составляет от 12
до 100 мм. Вопрос об использовании метода экспонирования на
нескольких пленках для контроля изделий переменной толщины
был исследован Тэрнером в работе [7].
Диапазон
плотности
почернения
1,0-1,5 ИН
/,5-2,5
2,5-3,5 Г~~771
Фиг. 69. Результа-
ты экспонирования
на нескольких
пленках при про-
свечивании изде-
лий переменной
толщины	(к—вы-
сота ступени; бук-
вами на фигуре
обозначены типы
пленок,	см.
табл. 7).
Результаты для различных материалов и энергии излучения
показаны на фиг. 69.
Усиливающие экраны и фильтры до некоторой степени умень-
шают вредное влияние излучения, рассеянного от окружающих
предметов. Устранить рассеяние можно также ограничением
пучка первичного рентгеновского излучения так, чтобы его
116
действие распространялось только на просвечиваемый объект.
Обычно это достигается диафрагмированием пучка либо ограж-
дением изделия свинцовыми листами, медной дробью, высоко-
поглощающими жидкостями или баритовой глиной. Полы,
поверхности стола и другие объекты, расположенные за плен-
кой, создают рассеянное излучение, достаточное для вуалиро-
вания пленки. Поэтому пленки с тыльной стороны необходимо
ограждать свинцовыми листами толщиной не менее 3 мм.
Подводя итог, можно сказать, что радиографическая кон-
трастность определяется напряжением на рентгеновской трубке,
величиной рассеянного излучения и градиентом характеристи-
ческой кривой для данной комбинации экран — пленка, соот-
ветствующим принятой плотности почернения. Любое изменение
техники просвечивания, которое позволит использовать пони-
женное напряжение, уменьшить влияние рассеянного излучения
или применить пленку с высоким градиентом, приведет к улуч-
шению радиографической контрастности.
Рентгенографирование сварных соединений. Рентгенографи-
рование сварных соединений позволяет обнаружить следующие
дефекты: пористость, шлаковые включения, непровары, несплав-
ления, подрезы, трещины и свищи.
Пористость — это сферические пустоты, не содержащие твер-
дой фазы и представляющие собой газовые включения. Газы,
образующие пустоты (поры), выделяются в процессе св.арки и
захватываются расплавленным металлом. Эти поры могут быть
более или менее равномерно распределены по сварному шву
либо сконцентрированы в виде отдельных скоплений. Рентгено-
граммы сварных швов с газовыми порами показаны ' на
фиг. 70, а — б.
Термин «шлаковые» пли «неметаллические» включения
используется для обозначения окисных либо других твердых
фаз, встречающихся в виде удлиненных или круглых включе-
ний в сварном шве (фиг. 71). Термин «подрез» используется
для обозначения либо эффекта «сдваивания», либо эффекта
уменьшения толщины основного свариваемого металла в том
месте, где наваривается последний слой сварного шва. На
фиг. 72 показана рентгенограмма сварного шва с подрезом.
Первый или соединительный слой наплавленного металла, пер-
воначально связывающий воедино два свариваемых элемента,
обычно называется «корневым слоем». Термин «неполный» или
«недостаточный провар» относится к неполному заполнению
шва наплавленным металлом (фиг. 72). Термин «неполное
сплавление» обозначает отсутствие связи между отдельными
слоями наплавленного металла либо между основным и наплав-
ленным металлом (фиг. 73).
В сварных соединениях встречаются трещины нескольких
типов. Правильно проведенное рентгенографирование позволяет
выявить почти все трещины в наплавленном металле и многие
117

-SIT
Фиг. 70. Рентгенограмма сварного шва с пористостью:
а — рентгенограмма обнаруживает неравномерность слоя наплавленного металла, одиако серьезные дефекты отсутствуют. Одна
зона в продольном шве указывает на трещину. Продольное сечение устанавливает доброкачественность металла и наличие не-
большой неровности hi поверхности шва. В чтой зоне можно заметить несколько ш-Оо тьших j а юьых Пирманов Сечение по воз-
можной трещине указывает на незначи' сльныи прожог с усадочной раковиной, проходящей через нестолько последова т елью ix
валиков наплавленного металла, б — верхний валик сравнительно узок, наблюдается некоторый подрез Рентгенограмма уста-
навливает наличие пористости. Поперечное сечение показывает усадочную раковину во сюром валике и н^сплавление по кром-
кам На верхнем валике продольное сечение обнаруживав г тазовые карманы / — верхний валют. II - реп ы енот рамма. Ill— вн\г-
реппий корневой валик, IV— прожог в соединительном валике шва
Фиг. 71. Рентгенограмма сварного шва со шлаковыми включениями.
Темные области неправильной формы указывают на наличие шлаковых включений. Продольное сечение устанавливает
глубину пустот в зашлакованной области. Поперечное сечение показывает пустоту, расположенную в центре шва
и усадочную раковину во втором валике наплавленного металла; в третьем валике располагается шлаковый кар-
ман значительных размеров' I — верхний валик, //-—рентгенограмма, III— внутренний корневой валик, IV — попереч-
ное сечение, V — продольное сечение.
виды трещин в основном металле. Трещины в сварных
соединениях возникают под действием местных напряжений, ве-
личина которых превышает предел прочности материала. Для
наплавленного металла характерны три различных типа тре-
щин: поперечные, продольные и радиальные. Трещины этих
трех типов видны на фиг. 71. Растрескивание основного металла
может произойти в нагретой околошовной зоне; отвердение и
охрупчивание металла в этой зоне являются основными причи-
нами возникновения трещин.
Рентгенографирование труб. Рентгенографировать трубы
можно тремя способами. По первому способу источник излу-
чения помещается внутрь трубы, а пленка располагается вокруг
сварного шва. Практическая применимость этого метода зави-
сит не только от толщины стенки трубы, но и от возможности
размещения источника в самой трубе. Этот метод, хотя и
позволяет произвести 100%-ное просвечивание стенок, имеет
серьезные ограничения и практичен не при любом отношении
диаметра трубы к толщине стенки (рациональное расстояние
от источника до пленки составляет 7Z, где t — толщины стенки).
По второму методу стенка трубы исследуется по участкам, и
на пленке за один сеанс просвечивания фиксируется только
часть изображения стенки; для просвечивания следующего
участка стенки используется новая пленка, и источник, сме-
щенный относительно оси трубы, переносится в новое поло-
жение. Третий метод является разновидностью второго; источ-
ник располагается на некотором расстоянии от трубы, чтобы
на одной пленке воспроизводилось изображение верхней и
нижней частей трубы. Удаление источника от трубы увеличивает
экспозицию, поэтому преимущество однократного экспонирова
ния теряется.
Стандартные рентгенограммы. Для оценки качества изделий,
контролируемых радиографическими методами, повсеместное
распространение получили стандартные, или эталонные, рент-
генограммы, разработанные и выпускаемые различными госу-
дарственными учреждениями и организациями. В частности,
Морским ведомством США выпущены стандартные рентгено-
граммы, позволяющие определять качество стальных отливок,
предназначенных для работы в среде пара высокого давления
и в прочих тяжелых условиях. На основании этих данных
Американским обществом по испытанию материалов (ASTM)
разработаны «Промышленные радиографические стандарты на
стальные отливки». Этим же обществом выпущены сравнитель-
ные .рентгенограммы для стальных сварных соединений. Эти
рентгенограммы были сделаны с типовых сварных соединений,
содержащих все виды дефектов. Эталонные образцы просве-
чивались при оптимальных условиях. Позитивы, отпечатанные
с этих рентгенограмм, помещены на сортировочных картах,
которые упрощают исследование качества сварки и облегчают
сортировку рентгенограмм при их оценке.
121
_ о,ш	мм
122
Фиг. 72. Рентгенограмма сварного шва с подрезом.
Рентгенограмма обнаруживает смещение корневого валика к кромке шва и подрез как на верхнем, так и на корневом валике наплавлен-
ного металла. Продольное сечение показывает пустоты, пронизывающие сварной шов почти насквозь и общее загрязненное состояние ма-
териала. Поперечное сечение показывает шлаковые наслоения и непровар в корне шва- I — верхний валик, II— рентгенограмма, III —
внутренний корневой валик.
На полях сортировочной карты указывается:
1.	Толщина соединяемых деталей.
2.	Тип сварки (электросварка, кислородно-ацети-
леновая, сварка под флюсом, сварка в атмосфе-
ре инертного газа).
3.	Тип сварного шва (стыковой, угловой, Т-образ-
ный, внахлестку, подварка дефекта в отливке).
4.	Положение сварного шва (палубный шов, пото-
лочный, горизонтальный, вертикальный).
5.	Метод просвечивания (рентгено- или гаммагра-
фирование, энергия рентгеновского излучения
или вид радиоактивного изотопа, тип усиливаю-
щего экрана или фильтра).
6.	Степень и вид несплошности.
Управление по аэронавтике разработало сравни-
тельные рентгенограммы для контроля отливок из
алюминиевых и магниевых сплавов. Эти рентгено-
граммы были также утверждены ASTM в качестве
стандартных.
По вопросу применения радиографии в промыш-
ленных целях существует обширная литература. Наи-
большего внимания заслуживают работы^ [8]—[12].
В статье Колма обсуждается использование точной
радиографии и получение в массовом порядке рентге-
нограмм с разрешающей способностью, доступной в
настоящее время только в лабораторных условиях.
Доклад Кана и других иллюстрирует значение радио-
графии в производстве бронзового литья. Статьи Му-
рэдиана и Факидова и Самохвалова посвящены при-
менению в радиографии сцинтилляционных счетчиков.
В статье Баркоу приводится подробный анализ рентге-
нограмм сварных стыков трубопроводов.
Одной из менее исследованных проблем промыш-
ленной радиографии является установление соотно-
шения между характером рентгеновского снимка и
механическими свойствами просвечиваемого изделия.
Сведения по этому вопросу содержатся в работах
Мэси, Карра, Уоллмена и Фейнберга [13] — [16].
В области ядерной техники к качеству рентгенов-
ских снимков зачастую предъявляются более высокие
требования, чем в обычной промышленной радиогра-
фии. Удовлетворение этих требований стало возмож-
ным после разработки различных новых методов ра-
диографического контроля. В частности, для достиже-
ния лучшего контакта между усиливающим экраном и
пленкой используются вакуумные кассеты. Увеличение
расстояния между объектом и пленкой для получения
крупноформатных рентгенограмм улучшает точность
123
Фиг. 73. Рентгенограмма сварного шва с несплавлением.
Ренггспограмма устанавливает наличие несплавлсния (отчетливая темная линия), что подтверждается продольным и попсреч
ним сечением по дефектной зоне' / — верхний валик, II— рентгенограмма, III -- внутренний корневой валик.
измерений, производимых на пленке. Для того чтобы получить
более резкое фотографическое изображение при увеличении
рентгеновского снимка, применяют пленки с односторонним по-
ливом светочувствительной эмульсией. Применение метода
просвечивания рентгенограмм (двойного просвечивания) позво-
ляет значительно увеличить диапазон широты рентгеновского
изображения. В Лос-Аламос-
ской научной лаборатории
этот метод был использован
для просвечивания циркония,
покрытого графитом. При этом
сначала снималась обычная
рентгенограмма, на которой
вследствие разницы в атомных
весах материалов изображение
графита не прорисовалось; не-
смотря на это, серебро эмуль-
сии претерпевало определен-
ные изменения. Экспонируя
проявленную рентгенограмму
при пониженном напряжении
на трубке, можно получить
изображение графита.
Таблица 12
Толщина стали, эквивалентная по
поглощению цирконию, гафнию и урану
Напряже-	2.5 см циркония	2,5 см гафния	2,5 см урана
ние в кв	Эквивалентная толщина стали в см		
150 200 250 300 1000	00 С4 Oi СО LQ Ю Ю 'Ф со ш и	111 оо оо ЧОС1 ОСЛО	—45,7 —40,7 —35,6
Обстоятельством, усложняющим радиографический контроль
элементов ядерного оборудования, является высокая плотность
используемых в ядерной технике материалов. В табл. 12 [17]
приведены эквивалентные толщины в пересчете на сталь для
циркония, урана и гафния в зависимости от напряжения на
трубке.
В процессе просвечивания радиоактивных материалов излу-
чение, испускаемое изделием, может завуалировать пленку либо
совершенно уничтожить радиографическое изображение. В связи
с этим возникает проблема разделения естественного излучения
и излучения, с помощью которого осуществляется просвечива-
ние. В том случае, когда энергия излучения образца ниже, чем
энергия рентгеновского излучения, может быть использован
свинцовый фильтр, помещаемый между пленкой и изделием.
Если энергия естественного излучения равна энергии рентгенов-
ского излучения, достигающего пленки, или больше ее, то на-
ряду с применением фильтра надо увеличить расстояние от
изделия до пленки.
Флуороскопия. Среди свойств рентгеновских лучей, отме-
ченных в этой главе, была указана их способность вызывать
свечение (флуоресценцию) некоторых веществ. Это свойство
используется в флуороскопии, которая основана на преобразо-
вании энергии рентгеновского излучения в энергию видимого
света.
Преимуществами флуороскопии являются быстрота и
125
экономичность. К сожалению, некоторые особенности этого
метода в значительной степени суживают область его приме-
нения. В частности, не существует способа непрерывной фикса-
ции рентгеновского изображения, воспринимаемого наблюдате-
лем. Правда, изображение может быть сфотографировано;
в этом случае техника исследования называется фотофлуоро-
графией.
К недостаткам этого процесса относятся пониженные
по сравнению с обычной радиографией чувствительность, рез-
кость и контрастность изображения. Так как флуороскопический
экран отличается крупнозернистостью, то он уступает пленке
в отношении разрешающей способности.
Последние достижения в области создания высокочувстви-
тельных экранов и острофокусных трубок позволили уменьшить
разницу в величине чувствительности между флуороскопией и
обычной радиографией. Все же вследствие необходимости ис-
пользовать повышенные напряжения на трубке технические
качества флуороскопического изображения продолжают оста-
ваться невысокими. Так как флуороскопический экран не
аккумулирует энергию рентгеновских лучей, как это происхо-
дит в эмульсии рентгенопленки, флуороскопию можно исполь-
зовать лишь для просвечивания относительно тонких металли-
ческих изделий либо для просвечивания более толстых мате-
риалов пониженной плотности.
В первой половине 40-х годов текущего столетия считалось,,
что чувствительность промышленной флуороскопии не превы-
шает 7% просвечиваемой толщины. Флуороскопический кон-
троль стальных разделий с толщиной стенки более 35 мм давал
неудовлетворительные результаты. Поэтому флуороскопия рас-
сматривалась как некоторое дополнение к радиографии ш
использовалась для отбраковки изделий, содержащих крупны^
дефекты.	;
В течение последующих лет оборудование и техника флуоро-’
скопирования были значительно усовершенствованы, и чувстви-'
тельность этого метода приблизилась к чувствительности рент4
генографии, что позволило исследовать легкие металлы и спла-j
вы умеренной толщины. Следует отметить, что во флуороскопии*
так же, как во многих других методах неразрушающих испыта-
ний, суждение экспериментатора является определяющим. '
Во флуороскопии роль регистрирующего прибора играет]
глаз. Ранее, при рассмотрении визуальных испытаний, указы-}
валось, что глаз не является высокоточным регистрирующим,
прибором. Во флуороскопии глаз должен воспринимать разницу]
в интенсивности свечения отдельных участков — задача, прц]
решении которой глаз наименее надежен. Оператор флуороско<
пической установки должен провести по крайней мере 20 мин!
в полной темноте до начала просвечивания. На фиг. 74 покат
зано, как изменяется чувствительность глаза в зависимости оТ^
126	’	1
времени, проведенного экспериментатором в полной темноте.
В течение первых 10 мин чувствительность глаза возрастает
медленно, затем начинает увеличиваться в интервале между
10 и 15 мин, В интервале между 15 и 20 мин чувствительность
увеличивается в 5 раз, после чего рост ее замедляется. Яркость
радиографического изображения можно регулировать; для луч-
шего наблюдения яркость экрана устанавливается в пределах
от 10 до 1000 миллиламберт. Кроме того, существует фактор
усталости глаза, ограничивающий время, в течение которого
визуальный контроль дает на-
дежные результаты. Неудобст-
во наблюдения в затемненной
комнате также может повли-
ять на надежность визуальной
оценки.
Флуороскопическая уста-
новка состоит из источника
рентгеновского излучения, флу-
ороскопического экрана и за-
щитных барьеров. В качестве
излучателя обычно использу-
ется низковольтная рентгенов-
ская трубка с малым фокус-
ным пятном.
Фиг. 74. Адаптация глаза в темно-
те (чувствительность глаза вы-
ражена в произвольных едини-
цах).
Одной из основных про-
блем флуороскопии является
подбор соответствующего ве-
щества для покрытия флуоресцирующего экрана. Первые рент-
геновские экраны были покрыты платиноцианидом бария; это
вещество использовалось до 1910 г. Под воздействием рентге-
новских лучей оно флуоресцирует ярким зеленым светом; к не-
достаткам этого вещества относится высокая стоимость и от-
носительно быстрое ухудшение флуоресцирующих свойств при
использовании. Затем в течение нескольких лет в качестве лю-
минофора использовался ортосиликат цинка. Экраны, покрытые
этим веществом, также флуоресцируют зеленым светом, но ха-
рактеризуются послесвечением и резким ухудшением флуоресцен-
ции при облучении высоковольтными рентгеновскими лучами.
В 1914 г. Паттерсон ввел экраны, покрытые вольфраматом
кадмия; эти экраны применялись в течение почти 20 лет.
Вольфрамат кадмия не дает никакого послесвечения и может
использоваться без заметного ухудшения свойств в течение
долгого времени. Экраны, покрытые этим веществом, флуорес-
цируют голубовато-белым светом, но обладают пониженной
яркостью.
В 1933 г. Леви и Уэст [18] разработали цинк-кадмиевые
экраны, которые используются в большинстве современных флу-
ороскопических установок. Эти экраны флуоресцируют желтова-
127
то-зеленым светом; их яркость в 10 раз больше яркости экранов,
покрытых вольфраматом кадмия. Флуоресцирующие вещества
вместе со связуюфим материалом наносятся на картонную под-
ложку. Обратная сторона подложки об-
ращена к источнику рентгеновских лу-
Фиг. 76. Зависимость ми-
нимального размера ви-
димого дефекта от сте-
пени увеличения для
различных размеров фо-
кусного пятна.
Фиг. 75. Зависимость относительной яркости
от напряжения на трубке для различных эк-
ранов:
/—экран Radelin Fb; 2—экран Patterson В2; 3—экран
Radelin F.
Рабочие характеристики флуороскопического экрана явля-
ются функцией многих переменных, таких как толщина, исполь-
зуемые химические вещества, их химическая чистота, размер
кристаллов и радиационные параметры люминофоров. Яркость
экрана является функцией интенсивности рентгеновских лучей
при данном напряжении на трубке; график относительной ярко-
сти показан на фиг. 75. Эта кривая показывает, что при
увеличении напряжения сверх 160 кв флуороскопия становится
все менее и менее полезной. Кривые также устанавливают
различие в световой отдаче для разных экранов, обусловлен-
ное размерами зерен; чем больше зерно, тем больше интен-
сивность свечения экрана и тем хуже его разрешающая спо-
собность.
Флуоресцирующий экран или рентгеновская пленка не дают
совершенно резких очертаний объекта. Попытка получить скач-
кообразное изменение яркости или плотности почернения на
любой регистрирующей поверхности никогда не может быть
успешной вследствие конечных размеров светочувствительных
частиц, из которых состоит эта поверхность. Наиболее серьез-
ным препятствием при разработке высокочувствительного флу-
ороскопического метода является большой размер зерен
экрана.
О’Коннор и Полянский [19] вывели формулу для расчета
128
минимального размера выявляемого дефекта в зависимости
от коэффициента увеличения, размера фокусного пятна и не-
резкости флуоресцирующего экрана (фиг. 76). В расчете
использовались характеристики экрана Patterson В-2. В табл. 13
представлены величины яркостей для четырех различных экра-
Таблица 13
Яркость флуоресцирующих
экранов
Тип экрана	Интенсивность	
	80 кв, 1 20 р/мин	100 кв, 1 70 plwiH
В-2 ... .	3,5	6,2
PFG . . .	3,4	6,2
FG ....	4,0	6,8
F		2,1	2,6
Фиг. 77. Зависимость относитель-
ной яркости экрана от интенсивно-
сти рентгеновских лучей.
нов. На фиг. 77 показана типичная характеристическая кривая
флуоресцирующего экрана, связывающая яркость свечения и
интенсивность .рентгеновских лучей.
Защитные барьеры должны одновременно выполнять две
функции: защищать оператора от вредного действия излучения
и допускать наблюдение светотеневой картины на экране. Для
барьеров применяются специальные виды стекла, например
свинцовосиликатное, так как обычные стекла, такие как пирекс
и свинцовое стекло, при постоянном облучении рентгенов-
скими лучами темнеют. Используются также жидкостные
барьеры, представляющие собой плоские сосуды из органиче-
ского стекла, заполненные водными растворами таких солей,
как перхлорат свинца, йодистый калий или йодистый цинк.
Перхлорат свинца обладает вполне удовлетворительными ха-
рактеристиками, но он токсичен и в сухом состоянии взрыво-
опасен.
Интенсификаторы яркости. В последние годы значительное
внимание было уделено увеличению яркости флуороскопических
экранов; такая мера позволила бы значительно повысить эф-
фективность контроля и по возможности свести к минимуму
или полностью исключить необходимость пребывания оператора
в темноте для адаптации глаза. Несколько лет назад в неко-
торых лабораториях США были начаты работы по созданию
приборов для увеличения яркости, или интенсификации, флуоро-
скопических экранов.
Колтман [20] в лабораториях «Вестингауз» создал электрон-
но-ускоряющую трубку, способную увеличить яркость флуоро-
скопического экрана примерно в 150 раз. Сравнительно меньшее
5 Испытания без разрушения	129
5
Фиг. 78. Электронный интенсификатор
изображения Колтмана:
1 — типичные траектории электронов, 2 —
стеклянный вакуумируемый корпус, 3 —
слой фосфора на алюминиевой подложке,
4 — основная линза, 5 — вспомогательные
линзы, 6 — флуоресцирующий экран, 7 —
фотоэлектрическая поверхность.
увеличение яркости (около 100) обычного флуороскопического
экрана необходимо для того, чтобы достичь квантового предела
того объема информации, который передается рентгеновским
сигналом. В трубке непосредственного преобразования изо-
бражения, разработанной Колтманом, для преобразования
рентгеновского сигнала в ви-
зуальный сигнал повышенной
интенсивности используется
ряд промежуточных электрон-
ных процессов. Промышленный
вариант электронного интенси-
фикатора Колтмана схематиче-
ски изображен на фиг. 78.
Рентгеновское изображение
регистрируется на флуоресци-
рующем экране, который пре-
образует энергию рентгенов-
ского излучения в световую
энергию..
Под воздействием световых
квантов с фотоэлектрической
поверхности высвобождаются
фотоэлектроны низкой энергии.
Количество электронов, испускаемых фотоэлектрической поверх-
ностью, определяется интенсивностью рентгеновского излучения,
падающего на экран. Поток электронов создает на вторичном
экране, покрытом слоем фосфора, изображение, которое иден-
тично изображению на первичном экране, образованному рент-
геновскими’лучами. Фокусировка потока электронов достигается
с помощью электростатического поля; кроме того, электроны
ускоряются потенциалом примерно 30 кв. Дополнительная
энергия, сообщенная электронам, увеличивает яркость изобра-
жения на вторичном экране. Изображение со вторичного экрана
увеличивается до натурального размера с помощью несложной
оптической системы. Яркость результирующего изображения
приблизительно в 100—300 раз превышает яркость флуороско-
пического экрана типа В-2 при одинаковой интенсивности рент-
геновского излучения.
Позволяя увеличить количество световой энергии, достигаю-
щей глаза наблюдателя, интенсификаторы яркости дают воз-
можность приблизиться к решению проблемы оптимального
изображения. Увеличение световой интенсивности представляет
ценность в следующих отношениях: увеличивается визуальная
четкость, т. е. различимость изменения уровней освещенностей;
уменьшается время адаптации, либо надобность в этом про-
цессе совершенно отпадает; оптимальное в отношении контраст-
ности напряжение значительно ниже, чем для обычного обору-
дования; увеличиваются возможности фотофлюорографии, ста-
130
новится возможным использование телевизионного наблюдения
флуороскопических изображений. Проектирование изображения
на телеэкран позволяет еше более увеличить яркость светотене-
вой картины, а также регулировать контрастность.
Нерезкость, обусловленная характеристиками флуоресци-
рующих материалов, используемых в интенсификаторах яркости,
примерно такая же, как и у экранов, применяемых в обычной
флуороскопии. С помощью промышленных интенсификаторов
яркости можно получать четкое изображение проволочных се-
ток с числом ячеек на линейный сантиметр от 13,0 до 17,7 (по
сравнению с 28,5 ячейками, регистрируемыми современными
высокоразрешающими приборами). Ожидается, что после внед-
рения в промышленность рентгеновских трубок мощностью
5000 кв-ма, имеющих фокусное пятно размером 0,5 мм, разре-
шающая способность интенсификаторов яркости значительно
увеличится.
Интенсификатор яркости не является эффективным инстру-
ментом для исследования тонких сечений легких сплавов. Про-
пускание излучения стеклянным видовым окном ограничивает
область исследуемых толщин минимальной толщиной 12 мм в
расчете на алюминий. Основное применение интенсификатор
яркости найдет при просвечивании материалов, толщина кото-
рых лежит выше диапазона, охватываемого высокоразрешаю-
щей флуороскопией на базе стандартной рентгеновской трубки
мощностью 900 кв-ма с фокусом в 1 мм. При просвечивании
с помощью интенсификатора яркости алюминия толщиной свы-
ше 25 мм может быть достигнута дефектометрическая чувстви-
тельность, равная 2%. Для меньших толщин следует ожидать
чувствительности порядка 4%. Если толщина изделия меняется
в широких пределах, например, от 45 до 100 мм, то просвечи-
вать его можно только средствами высокоразрешающей флуо-
роскопии, сочетающей использование мелкозернистого экрана
и интенсификатора яркости.
Другой интенсификатор яркости подобного типа разработан
фирмой Филлипс; схема его показана на фиг. 79. На
этой схеме А — фокус острофокусной рентгеновской трубки,
В — просвечиваемое изделие, размещенное на половине расстоя-
ния между фокусом трубки и первичным фосфором; такое рас-
положение дает увеличение масштаба изображения в 2 раза.
Все электронное оборудование заключено в стеклянный сосуд С;
внутри сосуда поддерживается вакуум. Буквой D обозначен
мелкозернистый фосфор, который преобразует световое излуче-
ние в поток фотоэлектронов. Электроны, испускаемые фотока-
тодом, под действием значительной разности потенциалов уско-
ряются. В результате происходит не менее чем 1000-кратное
увеличение яркости изображения, регистрируемого на вторич-
ном мелкозернистом флуоресцирующем экране. В электронной
схеме изображение уменьшается в 9 раз, но оптическая система
131
позволяет получить на выходе изображение в 2 раза больше
натуры.
Другой подход к увеличению яркости первичного изображе-
ния с помощью электронного усиления заключается в исполь-
зовании телевизионной или развертывающей схемы. В одной
из подобных систем изображение на флуороскопическом экране
воспринимается чувствительной телевизионной камерой и затем
передается на кинескоп, яркость которого может изменяться в
Фиг. 79. Интенсификатор изображения фирмы Филлипс:
I — преобразование рентгеновского излучения в видимый свет, II —
преобразование видимого излучения в электронный пучок, III —
электростатическая фокусировка электронов. IV — преобразование
электронного пучка в видимое излучение.
желаемых пределах. Применение телевизионной установки с
замкнутым контуром исследовано Полянским и Крискуоло [21].
Другим видом подобной системы является телевизионная
установка фирмы Дженерал электрик [22]. В этой установке
(фиг. 80) для непосредственного преобразования импульса рент-
геновского излучения в электронный сигнал применена фото-
резистивная передающая трубка (видикон). Использование от-
носительно толстого фотопроводящего слоя исключает малоэф-
фективный процесс преобразования рентгеновских лучей в све-
товое излучение. Фотопроводящее вещество (окись свинца), яв-
ляющееся абсолютным изолятором в темноте, под действием
излучения становится проводником. Это изменение проводимо-
сти, обусловленное изменением интенсивности рентгеновского
излучения, используется для модуляции бегающего электронно-
го луча. Результирующий сигнал усиливается и передается на
кинескоп, на экране которого образуется телевизионный экви-
валент рентгеновского изображения.
Передающая трубка в основном состоит из фотопроводящего
слоя окиси свинца и электронной пушки с электростатической
фокусировкой. Телевизионная установка, используемая в на-
стоящее время, обеспечивает прием изображения по американ-
132
скому стандарту с разложением на 525 строк при частоте смены
полукадров 30 в секунду. Передающие трубки имеют внешний
диаметр 21,6 см\ эффективная площадь сигнального плато
Фиг. 80. Приемная трубка телевизионной уста-
новки TVX для наблюдения за результатами
просвечивания фирмы Дженерал Электрик.
характеризуется диаметром свыше 18 см. Хотя во многих слу-
чаях такой размер изображения вполне достаточен, довольно
Фиг. 81. Характеристическая кри-
вая трубки TVX в зависимости от
энергии рентгеновского излучения
(Л — относительное изменение вы-
ходного сигнала в %,£— энергия
падающего излучения в кв).
Фиг. 82. Характеристическая кривая
трубки TVX в зависимости от интен-
сивности рентгеновского излучения
(ток на выходе трубки выражен в
относительных единицах).
часто для проведения полного объема исследования требуется
дополнительное развертывающее устройство. Подобная элек-
тронная система состоит из двух блоков; в первый входит теле-
визионная камера или передающая трубка, второй представ-
ляет собой приемную установку.
133
Важнейшим преимуществом высокопоглощающих фотопро-
водящих детекторов является их способность реагировать на
рентгеновские лучи в широком диапазоне энергий. Как пока-
зано на фиг. 81, характеристики трубки установки TVX вполне
удовлетворительны при изменении энергии рентгеновских лу-
чей от 40 до 1500 кв. Характеристическая кривая трубки в за-
висимости от интенсивности излучения показана на фиг. 82. По
данным табл. 14, контрастная чувствительность установки TVX
вплоть до толщины 25 мм для стали составляет величину по-
рядка 20% при использовании в качестве источника излучения
Фиг. 83. Изображение плоского алю-
миниевого эталона толщиной 6,35 мм,
полученное с помощью интенсифика-
тора TVX. Отверстия, расположен-
ные на двух внутренних окружностях,
просверлены насквозь; размер сверла
меняется от № 80 до № 30. Отверстия
третьего и четвертого ряда просвер-
лены до глубины, равной диаметру от-
верстий третьего ряда, размер кото-
рых меняется от № 60 до № 30.
Таблица 14
Контрастная чувствительность системы
TVX
Напряже-
। ние, вид
изотопа
Ток, интен-
сивность
излучения
Толщина
просвечи-
ваемого
материала
в см
100 кв
145 кв
1300 кв
Со60
Со60
Со^о
6000 кв
2 ма
2 ма
0,5 ма
9,6 р/мин
9,6 р/мин
9,6 р/мин
15 р/мин
5,0 А1
1,3 сталь
3,8 сталь
2,5 сталь
5,0 сталь
7,6 сталь
2,5 сталь
2
4
12
8
12
16
20
* При определении чувствительности
использовались стандартные дефектометры;
указанная чувствительность соответствует
полному выявлению всех отверстий.
линейного ускорителя в 6 Мэв. Полагают, что потеря контраст-
ной чувствительности при более высоких энергиях вызвана вто-
ричным рассеянием в фотопроводящем слое.
Представление о том, какова подробность изображения на
установке TVX, можно получить из фиг. 83, где показано изо-
бражение алюминиевого плоского эталона; наименьшее отвер-
стие в эталоне диаметром 0,3 мм, соответствующее сверлу № 80,
четко разрешается. Фактическим порогом разрешающей спо-
собности, которая может быть получена на установке TVX, яв-
ляется размер пятна бегающего луча в передающей трубке; эта
величина равна 0,15 мм. При интенсивности рентгеновского из-
лучения 0,01 р!мин такие трубки позволяют получать на экране
изображение сетки со стороной ячейки 0,5 мм. Скорость реаги-
134
рования системы позволяет наблюдать движения внутри объек-
та либо движущиеся объекты. Ограничение по скорости реаги-
рования накладывается скоростью развертки системы.
Флуороскопия с помощью мощных рентгеновских трубок.
О’Коннор и Полянский [23] описывают мощную промышленную
рентгеновскую трубку, пред-
назначенную для флуороско-	Таблица 15
пии, и рассматривают ее ха-
рактеристики. Размер фокус-
ного пятна этой трубки
составляет 0,5 мм\ максималь-
ная постоянная мощность рав-
на 4000 кв-ма при напряже-
ниях свыше 70 кв. К сожале-
нию, в диапазоне более низких
напряжений мощность трубки
уменьшается вследствие огра-
ничений, накладываемых
нитью накала. При условии
постоянства мощности трубки
по мере уменьшения напряже-
ния должна увеличиться эмис-
Флоуороскопическая чувствительность
по алюминию (двухкратное увеличение;
мощность трубки 4000 квма)
Напряже- ние в кв	Толщина в мм	Чувстви- тельность в %	Ток в ма
50	6,4	2	40
60	12,7	2	40
70	19,0	1,5	50
80	25,4	1,5	50
90	38	1,5	40
100	50	1,5	40
ПО	64	1,5	35
120	76	1,5	33
сия электронов и, следова-
тельно, ток накала. В табл. 15 приводятся значения чувствитель-
ности, которая может быть достигнута при использовании этой
трубки. Из таблицы можно видеть, что, как правило, чувстви-
тельность равна 1,5%; лишь при толщине алюминия меньше
15 мм вследствие ограничения мощности трубки для напряже-
ний ниже 70 кв эта величина составляет 2%.
Флуоресцирующий экран поглощает только 2% энергии пуч-
ка рентгеновских лучей, имеющих среднюю энергию 2 Мэв.
Полянский и О’Коннор [24] показали, однако, что энергии па-
дающего излучения 2 Мэв на характеристической кривой
флуоресцирующих экранов соответствует резонансный всплекс
чувствительности.
Фоторадиография. В фоторадиографии изображение на
флуоресцирующем экране фотографируется с помощью обычной
фото- или кинокамеры. В медицине фоторадиография («флюоро-
графия»), является общепринятым методом исследования; про-
мышленная флюорография еще не получила широкого распро-
странения. По тем результатам, которые могут быть получены
при использовании этого метода, фоторадиография находится
между радиографией и флуороскопией. Этот метод позволяет
экономить пленку и в то же время непрерывно регистрировать
изображение. По сравнению с радиографией при одной и той
же толщине изделия фоторадиография требует несколько более
высоких напряжений на трубке. По подробности изображения
фоторадиография превосходит флуороскопию, главным образом
135
потому, что пленка в отличие от глаза аккумулирует световую
энергию и усиливает контрастность флуороскопического изобра-
жения. Кроме того, пленку можно рассматривать в проходящем
свете, а изображение может быть увеличено с любой степенью
освещенности. Факторами, отрицательно сказывающимися на
разрешающей способности аппаратуры, являются зернистость
флуоресцирующего экрана, зернистость пленки и ограничения,
накладываемые оптической системой фотокамеры.
Микрорадиография. Микрорадиография используется для то-
го, чтобы установить распределение компонентов в тонких сече-
ниях различных сплавов, а также определить местонахождение
небольших пустот, таких как усадочная и газовая пористости.
Для исследования образец приводят в соприкосновение со спе-
циальной мелкозернистой пленкой, имеющей максимальную
разрешающую способность. Поверх образца помещают пла-
стинку свинцовой фольги с отверстием диаметром около 6,5 мм.
Затем образец экспонируют в рентгеновских лучах и получают
на пленке небольшое изображение, которое можно увеличить
или рассмотреть в микроскоп.
Высокоскоростная радиография (радиография вспышкой).
При исследовании быстропротекающих процессов, таких как
полет снаряда или движение высокоскоростного механизма,
время выдержки при просвечивании измеряется величинами
порядка одной миллионной доли секунды. В этих условиях при-
меняются высоковольтные рентгеновские трубки и соответству-
ющее оборудование. Используемые при этом высоковольтные
генераторы состоят из нескольких конденсаторов, которые заря-
жаются параллельно и разряжаются последовательно через
рентгеновскую трубку. Рентгеновская трубка имеет три электро-
да: анод, холодный катод (вместо обычной нагретой нити) и
вспомогательный катод. При работе трубки между катодом и
вспомогательным катодом создается высокая разность потенциа-
лов и возникает первичный дуговой разряд, являющийся источ-
ником электронов. Возникновение разряда приводит к падению'
потенциала на вспомогательном электроде, и поток электронов,
переносится на анод, генерируя рентгеновские лучи. Ток трубки
может достигать 2000 а, но вследствие крайне малых экспози-
ций тепло, выделяющееся на аноде, не является чрезмерным.
Ксерорадиография. Ксерорадиография начала применяться
сравнительно недавно. Само название метода («ксеро» по-
гречески означает «сухой») указывает на его отличительную
особенность — сухой процесс воспроизведения радиографическо-
го изображения.
Двумя основными элементами ксерорадиографии являются
ксерорадиографическая пластинка и проявляющий порошок..
Пластинка состоит из фотопроводящего слоя аморфного селе-
на, нанесенного на жесткую металлическую подложку. В тем-
ноте поверхность селена способна воспринимать и удерживать
136
электростатический заряд, однако под действием видимого света
или проникающего излучения заряд будет утекать через метал-
лическую подложку. Утечка приблизительно пропорциональна
интенсивности излучения на данном участке пластинки.
После экспонирования пластинки на ее поверхности остается
часть электрических зарядов, образующих скрытое электроста-
тическое изображение. Это изображение делается видимым по-
сле напыления на пла-
стинку тонко размельчен-
ного порошка, которому
предварительно сооб-
щается электрический за-
ряд противоположного
знака; порошок прилипа-
ет к заряженным участ-
кам пластинки, причем
количество прилипшего
порошка будет тем боль-
ше/чем выше концентра-
ция заряда на данном
участке.
Проявленное изобра-
жение можно рассматри-
Фиг. 84. Схема сенсибилизации ксерора-
диографической пластинки:
1 — источник питания, 2 — сторона пластинки,
покрытая селеном, 3 — электродвигатель, 4 —
ходовой винт, 5 — нанесенный заряд, 6 —
зарядный электрод.
вать непосредственно на
пластинке либо его можно перенести на другую
поверхность, например на лист обычной бумаги. Электро-
статический заряд на поверхность селена наносится путем
перемещения над ней проволочного зарядника, потенциал кото-
рого достаточно высок для возникновения коронного тока. Схе-
ма процесса зарядки (сенсибилизации) ксерорадиографической
пластинки показана на фиг. 84. Зарядник состоит из трех парал-
лельных проволок с положительным потенциалом и экрана, рас-
положенного между проволоками и пластинкой. Время движе-
ния зарядника над пластинкой составляет около 10 сек. Все
устройство помещено в светонепроницаемую камеру. Сенсиби-
лизированную и готовую для экспонирования пластинку поме-
щают в светонепроницаемую кассету.
При проявлении ксерорадиографического изображения зна-
чительную роль играет эффект ксерографического оконтурива-
ния. Это явление обусловлено ионизацией воздуха в воздушном
промежутке между стенкой светонепроницаемой кассеты и по-
верхностью пластинки (фиг. 85). При просвечивании изделия
переменной толщины участки пластинки, соответствующие бо-
лее тонким сечениям, будут разряжаться в большей степени,
в результате чего в распределении зарядов образуются разрывы.
На границе этих разрывов между участками с различной кон-
центрацией зарядов возникают сильные местные поля, силовые
линии которых изогнуты над поверхностью пластинки. Помимо
137
этого, в воздухе над пластинкой в результате поглощения рент-
геновских лучей образуются положительные и отрицательные
ионы. Отрицательные ионы притягиваются к пластинке и вызьи
вают нейтрализацию участка с более высокой концентрацией за-
ряда на границе разрыва. При дальнейшем экспонировании эти
участки полностью разряжаются, а процесс нейтрализации посте-
пенно охватывает всю ксерорадиограмму, вызывая все более уси-
ливающийся контурный эффект. Чтобы исключить этот эффект,
Фиг. 85. Контурный эффект в ксерорадиографии:
а — напряжение не приложено, б — напряжение приложено; 1 — просвечиваемый
объект, 2 — светонепроницаемая кассета, 3 — силовые линии, 4 — слой селена,
5 — металлическая подложка.
между кассетой и металлической подложкой пластинки соз-
дается постоянное напряжение.
Для выявления изображения пластинку подвешивают в боль-
шой камере, куда вводится облако тонко размельченного бело-
го порошка. Порошок заряжается в результате турбулизации в
сопле распылителя. Время проявления составляет от 20 до
30 сек. Как показано на фиг. 86, количество порошка, прилип-
шего к пластинке, определяется концентрацией заряда на дан-
ном участке: чем больше заряд, тем толще слой налипшего по-
рошка. Однако при наличии в распределении поверхностного за-
ряда резких скачков, например, вызванных раковинами в изде-
лии, на пластинке возникают краевые поля (fringing fields). Эти
поля стягивают порошок к границам збн с повышенной концент-
рацией зарядов, оставляя границы зон с пониженной концентра-
цией непроявленными. В нижней части фиг. 86 показан профиль
отложения порошка.
Рассматривать изображение можно сразу же после заверше-
ния проявления. Суммарное время, которое требуется для созда-
ния четкого изображения, составляет всего лишь около одной
минуты, если не учитывать время, затрачиваемое на подготовку
и экспонирование. Изображение с пластинки можно полностью
удалить, пропустив ее несколько раз под вращающейся шерстя-
ной щеткой. После небольшого перерыва пластинку можно сно-
ва использовать. При низких напряжениях и небольших экспози-
138
циях пластинки можно снова использовать спустя несколько ми-
нут. В области напряжений свыше 10 кв, где время экспозиции,
как правило, больше, может возникнуть так называемая «уста-
лость» пластинки. Усталость проявляется в понижении контраст-
ной чувствительности, возникновении ложных изображений либо
в совместном действии этих эффектов.
Усталостные явления могут сохраняться в течение часов в
зависимости от интенсивности излучения и напряжения на труб-
ке. Однако существует метод для ликвидации этих эффектов.
Фиг 86. Принцип получения ксерорадиогра-
фического изображения:
1 — просвечиваемый объект, 2 — распределение
электрического заряда после экспонирования, 3 --
силовые линии, 4 — электрически заряженное об-
лако порошка, 5 — поперечное сечение порошко-
вого изображения.
После того, как пластинка очищена от порошка и помещена в
кассету, обратную сторону пластинки в течение нескольких се-
кунд нагревают инфракрасными лампами до 45—50 ° С. Затем
пластинка быстро охлаждается до комнатной температуры в
принудительном потоке воздуха. Такая операция полностью вос-
станавливает пластинку до первоначального состояния и ее
можно использовать немедленно. Двумя другими серьезными
проблемами ксерорадиографии являются неоднородности и «де-
фекты» селенового слоя.
В тех случаях, когда требуется получить стабильное изобра-
жение ксерорадиограммы, обычно применяют фотографирование
пластинки.
Ксерорадиографическая пластинка во всем диапазоне энер-
гий рентгеновских лучей имеет примерно такую же чувствитель-
ность, как и радиографическая пленка типа А. В области низ-
ких напряжений чувствительность пластинки несколько выше;
по мере повышения напряжения ксерорадиографическая
пластинка становится менее чувствительной по сравнению с
139
пленкой, так как усиливающие экраны в ксерорадиографии не
применяются.
Фотопроводящий слой под воздействием сильного искусствен-
ного или солнечного света теряет свои качества, и пластинка
приходит в негодность. Срок службы пластинки определяется
изнашиванием фотопроводящего материала и механическими
повреждениями, поэтому хранить пластинки необходимо в за-
крытых кассетах.
Тэйлор и Тэнни произвели опытную оценку промышленной
ксерорадиографии [25]. В результате этих экспериментов полу-
чены данные, характеризующие разрешающую способность и
чувствительность этого метода (табл. 16 и 17). При низких на-
пряжениях ксерорадиографические пластинки значительно чув-
ствительнее, чем пленки типа А, но их относительная чувстви-
тельность уменьшается с увеличением энергии излучения.
Таблица 16
Чувствительность и разрешающая
способность ксерорадиографи ческой пла-
стинки и пленки типа А при оптималь-
ном напряжении на трубке (мате-
риал—алюминий)
	Пластинка		Пленка	
Толщина в мм	Чувствитель- ность	Разрешающая способность	Чувствитель- ность	L Разрешающая способность 1
12,7 25,4 38 50 76	1 1 1 1,5	4 2 2 1,5 2	1 1 1 1,3	4 2 2 1,5 1,3
Таблица 17
Чувствительность и разрешающая
способность ксерорадиографической
пластинки и пленки типа А при напря-
жении 250 кв (материал—сталь)
	Пластинка		Пленка	
		я		к
		05	а	СО А
Толщина	1	Д £ 2 О	<и	вгй Q о
в мм		я 2		я 2
	а		5	Э\о
	о -°	2 о О- о а о	о £	о о СО о
	>> о	Я е	Д о	я с
	я	Рч О	3* я	Рч о
6,4		4	2	4
12,7	2	4	2	4
25,4	2	4	1	2
38	2	4	0,8	2
Бетатронная радиография. Бетатрон, разработанный Керстом
[26] в 1940 г., применяется для получения электронов высокой
энергии, которые могут быть использованы для генерации жест-
кого рентгеновского излучения. Для сообщения электронам вы-
сокой энергии в бетатроне используется явление магнитной ин-
дукции. Бетатрон по существу является простым трансформато-
ром, в котором вторичная обмотка заменена тороидальной по-
лой трубой (камерой). Эта труба (фиг. 87) используется для
удержания электронов в процессе их ускорения. Камера бета-
трона обычно изготовляется из фарфора и покрывается изнутри
проводящим слоем палладия, который заземляется. Тороидаль-
ная камера помещается между полюсами электромагнита, с по-
140
мощью которого в ней создается пульсирующее поле. Электро-
ны, введенные в камеру, с увеличением магнитного поля будут
ускоряться и направляться по круговой траектории. Сила, дейст-
вующая на электроны, пропорциональна скорости изменения по-
тока и напряженности поля.
Прирост энергии электрона за один оборот равен скорости
изменения магнитного потока на данной орбите. Так как элект-
роны до вывода с орбиты проходят ее огромное число раз, при-
Фиг. 87. Вид сверху на ка-
меру бетатрона:
1 — равновесная орбита, 2 — за-
земление, 3 — расширенная ор-
бита, 4— мишень, 5— инжектор,
6 — пучок рентгеновских лучей,
7 — палладиевое внутреннее по-
крытие.
рост энергии весьма значителен:
например, в бетатроне, уско-
ряющем электроны до энергии
24 Мэв, электроны огибают орби-
Фиг. 88. Линейный коэффициент
поглощения рентгеновских лучей
для железа.
ту 350 000 раз, проходя расстояние—420 км. Весь процесс за-
нимает четверть цикла, или менее 1,4 мсек, так как частота воз-
буждения магнитного сердечника составляет 180 гц. Средний
прирост энергии за один оборот по орбите равен 70 эв. После
достижения максимальной энергии пучок отклоняется с помощью
электрического импульса и выводится по спирали с орбиты до
соударения с мишенью. Возникающие при этом рентгеновские
лучи имеют энергию 24 Мэв.
На фиг. 88 показан коэффициент линейного поглощения для
железа в функции от энергии излучения. Как видно из этого
графика, рентгеновские лучи с энергией 22 Мэв обладают макси-
мальной проникающей способностью. Коэффициент поглощения
имеет минимальное значение между 6 и 8 Мэв. Спектр энергии
рентгеновских лучей бетатрона на 24 Мэв имеет такой вид, что
средняя энергия излучения находится как раз в этом интервале
минимального поглощения. Таким образом, при работе бета-
трона на пиковой энергии достигается оптимальная проницае-
мость. Вторым преимуществом работы в этом диапазоне энер-
гий является большая широта радиографического изображе-
ния.
141
В стальных изделиях толщиной от 75 до 300 мм могут быть
выявлены дефекты глубиной 0,8 мм; дефекты глубиной 1,6 мм
выявляются в стальных изделиях толщиной вплоть до 500 мм.
При этом ширина выявляемых дефектов может быть крайне ма-
ла, порядка 0,127 мм. Малое фокусное пятно (от 0,127 до
2,54 мм) облегчает выявление мельчайших дефектов путем уве-
личения их теневого изображения за счет простого увеличения
расстояния от изделия до пленки.
Просвечивание рентгеновскими лучами от бетатрона позво-
ляет также обнаруживать зазор, размер которого в плоскости,
параллельной плоскости рентгеновского пучка, составляет
,0,025 мм. Применение бетатрона в промышленности не ограни-
чивается просвечиванием толстых изделий; например, в одной
установке при помощи бетатрона проверялось внутреннее состо-
яние двигателей и систем передач, а также плотность прилега-
ния отдельных частей для определения объема необходимых ре-
монтных работ. В другой установке применение бетатрона поз-
волило проверить состояние внутренних механизмов перед транс-
портировкой.
Смит в Лос-Аламосской Научной Лаборатории исследовал
факторы, характерные для бетатронной радиографии [27]. Рент-
геновские лучи, испускаемые мишенью бетатрона, распростра-
няются в виде конуса с малым углом раскрытия; интенсивность
рентгеновского пучка максимальна на оси конуса и быстро па-
дает с увеличением расстояния от оси. Такое распределение ин-
тенсивности имеет определенное преимущество при радиографи-
ровании сплошных сферических или цилиндрических изделий,
но при радиографировании плоских изделий вызывает некото-
рые трудности. Для выравнивания интенсивности пучка можно
использовать компенсирующий фильтр в виде свинцового кону-
са. Хотя применение такого конуса приводит к снижению интен-
сивности пучка, ликвидация пика интенсивности позволяет умень-
шить расстояние между мишенью и пленкой и исключить необ-
ходимость в нескольких пленках. Эксперименты показывают, что
минимальная толщина переднего свинцового экрана, необходи-
мая для обеспечения защиты от рассеянного излучения, со-
ставляет 3 мм. Более толстые передние экраны не обладают уси-
ливающим действием. Задние экраны толщиной до 5 мм увели-
чивают плотность изображения, но уменьшают разрешающую
способность пленки.
Строборадиография. Строборадиография (радиографирова-
ние вращающихся объектов) может быть с успехом осуществле-
на с помощью бетатронов, регулировка которых производится
с помощью специального синхронизирующего устройства. Основ-
ная функция этого устройства заключается в том, чтобы пода-
вать сигнал на генерирование импульса рентгеновских лучей
каждый раз, когда изделие находится в желаемом положении.
Аккумулирование большого числа слабых изображений, накла-
142
дываемых друг на друга, дает в результате четкую радиограмму
требуемой плотности почернения. Синхронизатор может приво-
диться в действие самим просвечиваемым изделием.
Увеличение с разверткой (Magna-Scanning). Увеличение с
разверткой — это комбинация двух обычных промышленных ме-
тодов просвечивания: увеличения и развертки. Получение радио-
граммы по этому методу показано на фиг. 89. В этом процессе
увеличение выполняется по-
средством простого увеличе-
ния расстояния между из-
делием и пленкой, причем
необходимыми условиями
получения качественных ра-
диограмм являются малый
размер фокусного пятна и
сведение к минимуму вто-
ричного рассеяния. Как пра-
вило, в результате вторично-
го рассеяния детали на
пленке смазываются, осо-
бенно если пленка разме-
щается на значительном
расстоянии от изделия. Бе-
татрон во время экспониро-
вания вращается, при этом
необходимо, чтобы фокусное
пятно в процессе вращения
бетатрона занимало в про-
странстве определенное фик-
сированное положение. В
примере, показанном на
фиг. 89, бетатрон был под-
Фиг. 89. Устройство для просвечивание
изделий по методу увеличения с разверт-
кой с помощью бетатрона на 22 Мэв.
нят на высоту 4,9 м над полом и поворачивался таким образом,
чтобы пучок рентгеновских лучей был направлен вниз. На высо-
те 3,65 м над полом на подставках помещались две винтовки.
предназначенные для просвечивания. Пленка располагалась на
листе мазонита на высоте 1,22 м над полом.
Процесс «Пикер-Поляроид». Просвечивание по методу «Пи-
кер-Поляроид» позволяет получать радиографическое изображе-
ние спустя одну-две минуты после экспонирования без примене-
ния обычных процедур обработки пленки. Этот метод первона-
чально был разработан в применении к медицинской радиогра-
фии. Характеристическая кривая любого фотографического ма-
териала представляет количественные данные по его основным
свойствам. Этими основными свойствами являются: максималь-
ное почернение, контрастность или градиент, диапазон экспози-
ций и интервал плотности почернения. На фиг. 90 представлена
полученная экспериментально кривая экспозиции для бумаги
143
«Поляроид» при просвечивании рентгеновскими лучами 200 кв.
Угол наклона этих кривых отрицателен, в то время как угол
наклона характеристических кривых для обычных фотографиче-
Логарифм относительной экспозиции
Логарифм относительной экспозиции
6)
Фиг. 90. Характеристическая кривая бумаги «Поляроид»
для рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении
на трубке 200 кв:
а —с задним свинцовым экраном толщиной 0,125 мм, б — без эк-
рана, АВ — полный диапазон Е, А'В' — практический диапазон Е.
ских материалов положителен. Экспозиция, равная нулю, соот-
ветствует максимальному почернению. Радиографическое изо-
бражение, как правило, более легко и точно интерпретируется
в том случае, если плотность изображения лежит в интервале
144
плотностей, соответствующих прямолинейному участку характе-
ристической кривой. Кривые для бумаги «Поляроид» имеют край-
не слабо выраженный прямолинейный участок или совсем его
не имеют. Тем не менее прямолинейный участок может быть ап-
проксимирован линией, отклоняющейся от характеристической
кривой не более, чем на 0,02 единицы плотности почернения.
Таблица 18
Характеристики бумаги «Поляроид» (№ 1001) для рентгеновских лучей, генери-
руемых при напряжении на трубке 200 кв
Характеристика	Солевой экран	Без экрана	Свинцовый экран	Единицы
Максимальное почернение . . . .	1,6	1,6	1,6	Плотность
Максимальный наклон		1,75	1,43	1,58	ДЕ>
				Alg£
Практический диапазон Е . . . .	0,71	0,79	0,79	lg Е
Практический диапазон D . . . .	1,08	0,99	1,02	Плотность
Полный диапазон Е		1,56	1,95	1,95	lg Е
Полный диапазон D		1,47	1,47	1,47	Плотность
Рабочее значение D 		0,7	0,7	0,7	»
				ДЕ>
Наклон 		1,67	1,4	1,5	
				Д1£Е
ДЕ/Е		2,8	3,4	3,1	%
Чувствительность для стали толщи-				
ной 25 мм:				
расчетная 		0,175	0,225	0,200	мм
наблюдаемая		0,50	0,75	0,50	»
радиографическая		0,75	1,00	0,75	»
В табл. 18 приведены расчетные и определенные эксперимен-
тально характеристики бумаги «Поляроид». Данные табл. 19 и
20 показывают, что процесс «Поляроид» наиболее ’ пригоден
при радиографировании рентгеновскими лучами низкой энергии
с использованием солевых усиливающих экранов. Из-за неболь-
шого диапазона плотности почернения бумага «Поляроид» наи-
более эффективна при радиографировании высококонтрастных
изделий. Эта бумага пригодна также для обнаружения крупных
полостных дефектов или включений. Крупнозернистость изобра-
жения на бумаге «Поляроид» сильно ухудшает выявляемость
деталей и изменений плотности.
Электронографирование. В этом разделе будут описаны два
метода, используемые в электронографировании относительно
тонких изделий. Сущность обоих методов заключается в том,
что вместо рентгеновских лучей для регистрации изображения
на фотографической эмульсии используются вторичные фото-
электроны. Количество испускаемых фотоэлектронов зависит от
145
Таблица Iff
Чувствительность (в %) и разрешающая способность рентгенограмм на бумаге
«Поляроид» для алюминиевых поглотителей
Напряже- ние на трубке в кв	Толщина поглоти - теля в мм	Солевой экран		Без экрана		Свинцовый экран	
		Чувстви- тельность	Разрешаю- щая спо- собность	Чувстви- тельность	Разрешаю- щая спо- собность	Чувстви- тельность	Разрешаю- щая спо- собность
40	6,4	2	8	8	12		
80	25,4 ’ 38 57	4 2,7 2,7	6 4 3,6	4 5,3	6 6,7		
120	12,7 38 70	*2*, 9*	'зУ	8 5,3 4,4	12 5,3 5,8	8 4	12 5,3
150	25,4 64 76 100	*2\1' 4	4 ’ 4	8 6,4	10 6,4	6 3,2	8 4
Таблица 3
Чувствительность в % и .разрешающая способность рентгенограмм на бумаге
«Поляроид» для стальных поглотителей
Лучи	Толщина поглоти- теля в мм	Солевой экран		Свинцовый экран	
		Чувстви- тельность	Разрешаю - щая спо- собность	Чувстви- тельность	Разрешаю- щая спо- собность
Рентгеновские, 200 кв . .	25,4	3	6	4	8
	25,4	8	8		
Рентгеновские, 1000 кв .	38 50	8 8	8 8	2,7	8
	64			4	6,4
Гамма-лучи Со60 ....	25,4 50	8 6	8 8	6 6	8 8
	76	5,3	5,3	5,3	5,3
длины волны и интенсивности рентгеновских лучей. Количество
испускаемых фотоэлектронов увеличивается с увеличением атом-
ного номера элемента. Метод пропускания показан на фиг. 91, а.
Тонкая фольга из тяжелого вещества (например из свинца)
146
плотно прижимается к изделию, на обратной стороне которого
помещена фотопластинка с мелкозернистой эмульсией. Рентге-
новские лучи, падая на фольгу, «выбивают» электроны, часть ко-
торых проходит через изделие и попадает на эмульсию; почер-
нение фотопластинки зависит от энергии и количества электро-
нов, прошедших через изделие. Схема метода обратной эмиссии
(доказана на фиг. 91, б. В этом случае полированная поверхность
Фиг. 91. Электронографирование.
а — по методу пропускания, б — по методу обратной эмиссии; 1 — катод
рентгеновской трубки, 2 — фильтр для увеличения жесткости излучения,
3 — рентгеновские лучи, 4 — светонепроницаемое покрытие, 5 — свинцовая
фольга, 6’ — фотоэлектроны и электроны отдачи, 7 — тонкий образец, 8 —
фотографическая пластинка, 9 — фотографическая пластинка (эмульсией
вниз), 10 — фотоэлектроны, // — образец (полированной стороной к эмуль-
сии).
радиографируемого образца находится в непосредственном кон-
такте с эмульсионной стороной фотопластинки. Рентгеновские
лучи проходят через эмульсию и вырывают электроны с поверх-
ности изделия. При этом почернение эмульсии зависит в основ-
ном от атомного номера поверхностных элементов, контактирую-
щих с нею. Для получения хороших результатов необходимо,
чтобы эмульсия находилась в возможно более тесном контакте
с исследуемой поверхностью. Существенно также, чтобы фото-
графическая эмульсия имела низкий коэ ьфициент поглощения
рентгеновских лучей и высокий — поглощения электронов.
Одним из преимуществ электронографирования по методу
пропускания перед рентгенографией является возможность ис-
пользования стандартных высоковольтных рентгеновских аппа-
ратов для просвечивания тонких изделий. Радиограммы, полу-
ченные по методу пропускания, отражают в основно'м изменения
физической плотности, в то время как низковольтная рентгено-
грамма крайне чувствительна к различиям в атомном номере
элементов. Преимущество электронографирования по методу
147
обратной эмиссии перед фотографическими методами исследова-
ния заключается в том, что поверхностные элементы, которые
в видимом свете могут быть неразличимы, легко дифференциру-
ются без травления поверхности.
При электронографировании мягкие рентгеновские лучи не
должны попадать на фоточувствительную поверхность, так как
они вызывают лишь фоновое почернение эмульсии, вызывая нич-
тожно малую фотоэмиссию. В соответствии с зависимостью по-
глощения рентгеновских лучей от длины волны, справедливой
для всех элементов, интенсивность жестких рентгеновских лучей
при прохождении через вещество снижается незначительно, в то
время как мягкие рентгеновские лучи поглощаются почти пол-
ностью. При получении электронных радиограмм с помощью
рентгеновской трубки напряжением 25Q кв или ниже фильтр, со-
стоящий из 4,8 мм меди и 4,8 мм алюминия, оказывается вполне
достаточным. Алюминий добавляется для поглощения характе-
ристического флуоресцирующего излучения и комптоновского
рассеяния от меди. Очевидно, что уменьшение толщины фильтра
сокращает время экспозиции, но может привести к значительной
фоновой плотности. Установлено, что для целей электроно-
графирования наиболее пригодны спектроскопические пластин-
ки со сверхвысокой разрешающей способностью [28]. Наиболее
эффективным веществом — эмиттером электронов является сви-
нец вследствие большого атомного номера и высокой плотности
электронов. Расплавленный свинец можно нанести на изделие
в виде тонкой пленки, чем достигается надежный контакт между
свинцом и изделием без повреждения последнего. Толщина свин-
ца, равная 25 мк, является вполне достаточной; увеличение тол-
щины лишь увеличивает экспозицию.
Нейтронографирование. Поглощение нейтронов веществом
сравнимо с поглощением рентгеновских лучей или гамма-квантов
с энергией в несколько сотен или тысяч киловольт. Однако от-
носительное поглощение нейтронов различными элементами
крайне неодинаково. При взаимодействии с веществом нейтроны
могут либо поглощаться ядрами элементов с образованием но-
вых ядер, либо рассеиваться в результате упругого или неупру-
гого столкновения с ядром. Для некоторых элементов, таких как
железо и углерод, снижение интенсивности потока нейтронов при
прохождении через слой вещества почти полностью опреде-
ляется рассеянием. В табл. 21 приведены массовые и линейные
коэффициенты поглощения тепловых нейтронов различными эле-
ментами.
Для нейтронов не существует такой очевидной зависимости
между коэффициентами поглощения и рассеяния и атомным но-
мером, как для рентгеновских лучей. Изменение коэффициента
поглощения от элемента к элементу носит неупорядоченный ха-
рактер. Такое случайное распределение коэффициента поглоще-
ния нейтронов по элементам позволяет использовать одну и ту
148
же пленку для просвечивания значительно , большего числа ма-
териалов, чем это возможно для рентгеновских или гамма-лу-
чей. Это обстоятельство позволяет также исследовать более
толстые изделия или уменьшить время экспозиции. С помощью
нейтронографирования возможно дифференцировать те элемен-
ты, которые имеют одинаковые коэффициенты поглощения рент-
геновских и гамма-лучей, но разные коэффициенты поглощения
нейтронов, например бор и углерод, кадмий и барий.
К сожалению, фотографический эффект, даваемый нейтрона-
ми, пренебрежимо мал. Наиболее распространенным детектором
тепловых нейтронов является пропорциональный счетчик с за-
полнением трехфтористым бором BF3, в котором используется
ионизация, вызванная альфа-частицами; альфа-частицы испус-
каются при реакции
5В10 + Х^3Ы- + 2Ш.	(6.27)
Этот счетчик относительно нечувствителен к гамма-лучам.
Счетчик такого типа можно использовать в нейтронографирова-
нии в комбинации с развертывающей аппаратурой. Непосредст-
венную фотографическую регистрацию нейтронов можно осу-
ществить путем «нагружения» фотографической эмульсии силь-
но поглощающими элементами, такими как бор или кадмий, а
также с помощью сцинтиляционных кристаллов, чувствительных
к нейтронам. В других способах фотографической регистрации
нейтронов используется промежуточная фольга из материала,
испускающего под воздействием нейтронов альфа- и бета-части-
цы или гамма-лучи.
Наиболее эффективные из этих методов описаны Колманом
[29]. Тонкий слой бора или лития используется в качестве «пре-
образователя» нейтронов в альфа-частицы. Альфа-частицы бом-
бардируют флуоресцирующий экран, свечение которого воздей-
ствует на фотопленку. Между слоем бора или лития и флуорес-
цирующим экраном помещается тонкий (менее 0,5 мк) лист алю-
миния для отражения света от флуоресцирующего экрана. Лист
достаточно тонок, чтобы не замедлять в значительной степени
альфа-частицы максимальной энергии. К недостаткам этого ме-
тода относится то, что фотопленка регистрирует не только нейт-
роны (косвенно), но также и любые гамма-лучи, присутствую-
щие в нейтронном пучке и непосредственно воздействующие на
пленку. Кроме того, отсутствие контакта между фотопленкой и
слоем вещества, испускающего альфа-частицы, приводит к по-
тере резкости. По другому способу кадмиевая фольга находится
в непосредственном контакте с фотографической пленкой. Под
действием нейтронов кадмий испускает гамма-лучи; в этом слу-
чае любое гамма-излучение, сопровождающее первичный поток
нейтронов, также представляет источник нежелательного почер-
нения фотопленки. По третьему способу используют фольгу
149
Таблица 21
Коэффициенты поглощения нейтронов (при энергии нейтронов порядка 0,07 эв)
Эле- мент	Атом- ный номер	Коэффи- циент истинного поглоще- Р- НИЯ	- р в см?!г	Коэффициент рассеяния —— Р в см2]г	Суммарный коэффициент поглощения —— в см2/а Р	Суммар- ный коэф- фициент поглоще- ния р. в см 1	Эле- мент	Атомный номер	Коэффи- циент истинного поглоще- ния о Р в см2/г	Коэффициент Р- рассеяния	 „ Р в см2/г	Суммарный коэффициент поглощения в см2]г Р	Суммар - ный коэф- фициент поглоще- ния р в см
н	1	0,11	48,4	48,5			Ru	44	0,009	—	0,009*	0,11*
Li	3	3,5	0,17	3,7	2,0	Rh	45	0,53	—	0,53*	6,6*
Be	4	0,0003	0,50	0,50	0,92	Pd	46	0,023	0,027	0,050	5,7
В	5	24		24*	60*	Ag	47	0,20	0,039	0,24	2,5
С	6	0,00015	0,26	0,26	0,60	Cd	48	11,2	—	11,2*	97**
N	7	0,048	0,43	0,48	=—	In	49	0,60	—	0,60	4,4
О	8	0,00002	0,15	0,15	—	Sn	50	0,0002	0,025	0,027	0,20
F	9	0,0003	0,11	0,11	—	Sb	51	0,016	0,021	0,037	0,25
Ne	10	0,006		0,006*	—	Те	52	0,013	0,018	0,031	0,19
Na	11	0,007	0*092	0,099	0,097	I	53	0,018	0,018	0,036	0,18
Mg	12	0,001	0,092	0,093	0,16	Xe	54	0,083	—	0,083*	—
Al	13	0,003	0,033	0,036	0,97	Cs	55	0,077	0,032	0,109	0,20
Si	14	0,001	0,043**	0,044**	0,10**	Ba	56	0,0027	0,015**	0,018**	0,068*
P	15	0,002	0,060**	0,62**	0,12**	La	57	0,023	0,040	0,063	0,39
S	16	0,0055	0,023	0,029	0,058	Ce	58	0,0021	0,012	0,014	0,097
Cl	17	0,33	0,255	0,59	—	Pr	59	0,029	0,017	0,046	0,30
Ar	18	0,0060	—	0,006*	—	Nd	60	о,н	0,10	0,21	1,5
К	19	0,018	0,031	0,049	0,042	Sm	62	25	—	25*	195*
Ca	20	0,0037	0,053	0,057	0,088	Eu	63	10	—	10*	52*
Sc	21	0,09	0,175**	0,27**	0,68**	Gd	64	84	—	84*	497
Ti	22	0,044	0,075	0,119	0,54	Tb	65	0,09	—	0,009*	0,75*
V	23	0,033	0,060	0,093	0,56	Dy	66	2,0	—	2,0*	17,2*
Cr	24	0,021	0,044	0,065	0,46	Ho	67	0,015		0,015*	1,3*
Продолжение табл. 21
Эле- мент	Атом- ный номер	Коэффи- циент истинного поглоще- И НИЯ 	 Р в см2/г	Коэффициент рассеяния —— в см2 /г Р	Суммарный коэффициент поглощения IX 	 в см2/г Р	Суммар- ный коэф- фициент поглоще- ния [X в см 1	Эле- мент	Атомный номер	Коэффи- циент истинного поглоще- [х НИЯ —-— - р в см2/г	Коэффициент рассеяния в см2/г Р 1	Суммарный коэффициент поглощения в см2/г Р	Суммар- ный коэф- фициент поглоще- ния р- в см 1
Мп	25	0,083	0,024	0,107	0,79	Ег	68	0,36	0,054	0,41	2,0
Fe	26	0,015	0,126	0,141	1,1	Тгп	69	0,25	—	0,25*	2,3*
Со	27	0,21	0,051	0,26	2,2	Yb	70	0,076	—	0,076*	0,42*
Ni	28	0,028	0,185	0,213	1,9	Lu	71	0,22	—	0,22*	2,1*
Си	29	0,021	0,074	0,095	0,85	Hf	72	0,20	—	0,20*	2,3*
Zn	30	0,0055	0,039	0,045	0,32	Та	73	0,044	0,023	0,067	1,1
Ga	31	0,015	—	0,015*	0,089	W	74	0,036	0,22	0,058	1,1
Ge	32	0,011	0,071	0,082	0,45	Re	75	0,16	—	0,16*	3,4
As	33	0,020 -	0,056	0,076	0,44	Os	76	0,028	—	0,28*	0,63*
Se	34	0,056	0,076	0,132	0,59	Ir	77	0,80	—	0,80*	18*
Br	35	0,029	0,045	0,074	—	Pt	78	0,05	0,035	0,050	11
Kr	36	0,0002	—	0,0002*	—	Au	79	0,17	0,027	0,20	3,9
Rb	37	0,0029	0,059	0,042	0,064	Hg	80	0,63	0,080	0,71	9,6
Sr	38	0,0048	0,065	0,070	0,18	T1	81	0,006	0,021**	0,027**	0,32**
Y	39	0,0056			0,0056*	0,021*	Pb	82	0,003	0,034	0,034	0,39
Zr	40	0,0006	0,046	0,047	0,31	Bi	83	0,00003	0,029	0,029	0,28
Nb	41	0,0041	0,040	0,044	0,37	Th	90	—	0,033	0,033***	0,37***
Mo 4 s|	42 * Рассеяние Henorepei Только 1	0,009 > не включег чтное рассея! оассеянне.	0,046 10. чие не включено	0,055	0,55	U	92	0,005	0,023**	0,028**	0,52
такого вещества, которое под действием потока нейтронов ста-
новится радиоактивным и затем распадается с испусканием
бета- или гамма-лучей. Фольгу, изготовленную из индия, сереб-
ра или золота, облучают нейтронами при отсутствии фотоплен-
ки. Скрытое радиоактивное изображение, образующееся на
фольге, переносится на фотопленку контактным способом. В дру-
гом случае пленку и промежуточную фольгу совместно облу-
чают нейтронным потоком, затем удаляют и держат в контакте
до тех пор, пока радиоактивное изображение не отпечатается
на пленке. При такой методике почернение, обусловленное ней-
тронами усиливается, и в то же время не накапливается неже-
лательное почернение от гамма-излучения. Этот метод исполь-
зовался в Научно-исследовательском центре в Харуэлле Тьюли-
сом [30]. Сочетание двух последних методов с применением сло-
ев из кадмия и серебра было использовано Питером [31]. Пер-
вые нейтронные радиограммы были опубликованы Колманом
[29] и Питером [31]. В настоящее время нейтронные радиограм-
мы уступают по качеству рентгеновским снимкам, но вполне
сравнимы с радиограммами, полученными с помощью гамма-
лучей.
В радиографии также используются изотопы, испускающие
бета-лучи. В этом случае рентгеновское излучение возникает при
взаимодействии бета-частиц с каким-либо промежуточным веще-
ством. Излучение состоит из внутреннего тормозного излучения,
обусловленного взаимодействием бета-частиц с электростатиче-
ским полем ядра. Кроме того, в процессе замедления бета-ча-
стиц при соударении с атомами поглотителя возникает внешнее
тормозное излучение. Существует также характеристическое
рентгеновское излучение, вызываемое взаимодействием бета-ча-
стиц с орбитальными электронами источника или поглотителя.
Керейэкис и Кребс [32] использовали в качестве источника бета-
излучения медицинский аппликатор. Эта установка (300 мкюри
Sr90 в равновесии с Y90) обеспечивала интенсивность рентгенов-
ского излучения 6,4. мр!мин на расстоянии 7,5 см от источника.
ГЛАВА 7*
ГАММАГРАФИРОВАНИЕ
Радиоактивные источники гамма-излучения, как природные,,
так и искусственные, находят широкое применение в радиогра-
фии. Гамма-лучи испускаются в процессе распада радиоактив-
ных веществ и, подобно рентгеновским лучам, являются электро-
магнитным излучением. Однако гамма-лучи характеризуются
меньшей длиной волны и, следовательно, обладают большей,
проникающей способностью. Спектр гамма-излучения, в отличие
от спектра рентгеновских лучей, не является сплошным, а вклю-
чает излучение одной или нескольких дискретных энергий.
Основными достоинствами источников гамма-лучей являются
малый размер, высокая проникающая способность излучения и
относительно низкая стоимость по сравнению с промышленными
источниками рентгеновских лучей, независимость от источников,
электрического питания и водоснабжения, пониженная контраст-
ность изображения, что позволяет при одной величине экспози-
ции просвечивать широкий диапазон толщин металла. Однако
при просвечивании изделий приблизительно одинаковой толщи-
ны низкая контрастность несколько ухудшает условия выявле-
ния дефекта по сравнению с рентгенографированием. Основным
недостатком таких источников является то, что они, как прави-
ло, обладают низкой интенсивностью и' поэтому требуют боль-
шой экспозиции. Некоторые источники характеризуются малым
периодом полураспада, что вызывает необходимость частой сме-
ны радиоактивного препарата. Так как радиоактивные источни-
ки не могут быть «выключены», то необходимо создать такие
условия их хранения, которые обеспечивали бы полную безопас-
ность обслуживающего персонала.
При выборе радиоактивного препарата для гаммаграфиче-
ской установки следует учитывать три основные фактора: 1) пе-
риод полураспада, 2) энергию гамма-лучей и 3) материал, пред-
* При переводе на русский язык из главы 7 исключен раздел, в котором
рассматриваются вопросы защиты от ионизирующего излучения, поскольку
эта проблема достаточно подробно освещена в отечественной литературе. —
Прим. ред.
153.
назначенный для просвечивания. Естественные источники гамма-
излучения (первоначально радий и радон) стали применяться в
промышленном гаммаграфировании с начала тридцатых годов
текущего столетия. Создание и
Фиг. 92. Кривая распада Со60 (ак-
тивность дана в % от начальной).
усовершенствование ядерных ре-
акторов в период второй мировой
войны предоставили новые
возможности для получения бо-
лее совершенных промышленных
источников гамма-лучей. Эти ис-
точники могут быть приготовлены
либо путем выделения из про-
дуктов радиоактивного распада
соответствующих изотопов, либо
путем облучения определенных
элементов в ядерном реакторе.
Изотоп Со60, например, получается в результате бомбардировки
Со59 тепловыми нейтронами в соответствии с уравнениями:
2,Со69-J-yi127Со60;
2,Co6o^₽ + -r + l+28Ni60.
1,17Мэв ЦЗЗМэв
(7.1)
(7.2)
В качестве примера изотопа, получаемого выделением из про-
дуктов распада, можно привести изотоп Cs137. Недостатком
источников, полученных таким путем, является то, что они мо-
гут содержать смесь изотопов, излучение которых характери-
зуется широким диапазоном энергий.
Основные понятия радиоактивности. Прежде чем изложить
вопрос о различных источниках гамма-излучения, целесообраз-
но вкратце рассмотреть основы радиоактивности и связанных с
нею явлений. Излучение, испускаемое радиоактивным вещест-
вом, обусловлено самопроизвольным распадом ядер этого ве-
щества. Этот распад совместно с последующим испусканием
альфа- или бета-частиц приводит к образованию новых, или «до-
черних», элементов. Испускание альфа- или бета-частиц часто
сопровождается гамма-излучением. Все радиоактивные источни-
ки характеризуются периодом полураспада, т. е. временем, не-
обходимым для того, чтобы половина имеющегося в начальный
момент вещества претерпела распад. На фиг. 92 показан график
изменения интенсивности радиоактивного источника Со60 в за-
висимости от времени. В табл. 22 приведены значения периода
полураспада для ряда гамма-излучателей.
Кюри. Активность источников гамма-излучения, как прави-
ло, измеряется в кюри, милликюри или микрокюри. Кюри оп-
ределяется как скорость радиоактивного распада; скорость рас-
пада, равная 3,7-1010 актов распада в секунду, соответствует
154
Таблица 22
Классификация радиоактивных изотопов в соответствии с энергией
испускаемого гамма-излучения
Изотоп	Период полураспада	Изотоп	Период полураспада
Больше 2 Мзв		7 г95 Cd115	65 дней 43 дня
Ra226	1620 лет	Cb95 Ва149	35 дней 12,8 дня
Sb124	60 дней	Na147	I1 дней
La|4<J	40,4 ч	J131	8 дней
As76	27,6 ч	Sb122	2,8 дня
Na24	14,97 ч	Mo99	67 ч
Ga72	14,3 ч	Cd"5	•43 дня; 2,3 дня
От 1,	5 до 2 Мэв	Sm153 W187	47 ч 24,1 ч
Ag119 PH42	270 дней 19 ч	PU’O5 От 0,2^	4 ч 5 до 0,5 Мэв
K42	12,4 ч	Se75	127 дней
От 1	до 1,5 Мэв	Hfisi ' Hg293	46 дней 46,5 дня
Eu152’ 154	12,4 года	Rll"3 Ce141	42 дня 32,5 дня
Co60	5,3 года	Cr5i	26,5 дня
Cs134	2,3 года	Ba131	13 дней
Zn65	250 дней	Hgwv	65 ч; 24 ч 36,5 ч
Ta182	111 дней	Rh’15	
Sc46 In"4	85 дней 50 дней	Меньше чем 0.25 Мэв	
Fe59 Rb86	46,3 дня 19,5 дней	Pb279 (RaD)	22 года
Au198	2,7 дня	Ac227	22 года
Br82	35 ч	Eu155	1,7 года
Os193	32 ч	Ce144	290 дней
Ho166	27 ч	Os191	15 дней
Cu64	12,8 ч	Re18G	3,8 дня
От 0,5 до 1 Мэв		Ru97 Tm170	2,8 дня 127 дней
Cs137 (Ba137)	33 года	W125 Tc97	73 дня 90 дней, 9,3 ч
Sb127	2,7 года	Tei27	90 дней
Po210 (RaF)	138 дней	Cs131	9,6 дня
lr192	74 дня; 14 мин	Au199	3,3 дня
1 кюри. На скорость распада не влияют ни давление, ни темпе-
ратура, ни состав химического соединения, в которое входит ра-
диоактивный элемент.
Радиоактивный распад. Количество радиоактивного веще-
ства, которое останется неразделившимся спустя некоторое
155
$ремя t, может быть вычислено, если известно количество веще-
ства, имевшегося в начальный момент времени, по уравнению
_ 0,693 t
N. =	= Noe т ,	(7.3)
где N — количество ядер неразделившегося вещества;
No—начальное количество ядер вещества;
.	0,693
Х =----------постоянная распада;
t— время;
Т — период полураспада радиоактивного вещества.
В этом уравнении величины Т и t должны быть выражены
в одних и тех же единицах времени.
Изотоп Со60 имеет период полураспада 5,3 года. По истече-
нии 2 лет активность источника Со60, начальная активность ко-
торого равна 10 кюри, составит
о,б9з 2
N = Noe 5’3	= N0e~°’26 = 0,77 1jV0.	(7.4)
Таким образом, за 2 года активность источника уменьшилась
до 0,771 первоначального значения и стала равной 7,71 кюри.
Для оценки активности радиоактивного источника массой 1 г
используется понятие удельной активности. Удельная активность
S данного источника определяется как число актов распада в
единицу времени в расчете на грамм радиоактивного элемента.
Таким образом, для изотопа Со60 с периодом полураспада 5,3
года.
с 0,693-6-1023 л 1С 1А1о ,	,7 с/
5 =------------- =4,15-1013 расп сек; (7.5)
5,3-3,14-107-60	'	v
S = M°-^,	(7.6)
где М — число атомов в грамме Со 60;
Т — период полураспада.
Число атомов в грамме любого вещества может быть полу-
чено делением числа Авогадро, равного 6-Ю23, на атомный вес
вещества.
Рентген. Рентген определяется как то количество поглощен-
ного рентгеновского или гамма-излучения, которое . вызывает
возникновение в 0,0012932 г сухого воздуха (что соответствует
по объему 1 см3 при 0°С и 760 мм рт. ст.) ионов, несущих 1 элект-
ростатическую единицу количества электричества любого знака.
Рентген в час на метр (р/ч • м) является физической едини-
цей мощности радиоактивного источника. При помощи этой ве-
личины исчисляется общее количество любого радиоактивного
Л56
вещества — гамма-излучателя. Одни рентген-час метр изотопа
Со60 — это такое количество Со60, гамма-излучение ко-
торого вызывает в воздухе на расстоянии 1 м от ис-
точника ионизацию, соответствующую 1 р/ч. Изо-
топ Со60 испускает при распаде гамма-лучи энергией 1,17 и
1,33 Мэв. При этих энергиях поглощение в воздухе почти пол-
ностью обусловлено эффектом Комптона. Коэффициент погло-
щения в воздухе для гамма-излучения таких энергий в среднем
равняется 3,5* 10-5 см~{; следовательно, .источник Со60 актив-
ностью 1 кюри будет давать
3,7-10™расп/сек- 3600 сек)ч (1,174- 1,33)-3,5-10~5 см~} _
кг-(100 см)2	’	6,77-104 Мэв/смэ	“
= 1,30 рм-мккюри.	(7.7)
Гамма-излучение от источника распространяется с равной ве-
роятностью в любом направлении; величина 4лг2, равная общей
площади, на которую падают
гамма-лучи, учитывает фактор
расстояния. Величина 6,77-104
представляет собой количество
энергии в Мэв, необходимое
для ионизации 1 см3 воздуха.
'Мощность гамма-излучения от
различных радиоактивных ис-
точников приведена в табл. 23.
Наведенная активность. Ра-
диоактивное вещество может
быть создано искусственно, пу-
тем помещения на некоторое
время определенного исходного
вещества в ядерный реактор.
Нейтроны, бомбардируя' веще-
ство, вызывают переход его в
радиоактивное состояние. Ос-
Таблица 23
Мощность гамма-излучения на
расстоянии 1 м от источника для
различных радиоактивных источников
(без учета самопоглощения)
Изотоп.	Период полураспада	Мощность излучения в р/ч
Au198	2,7 дня	0,22
1131	8,0 дней	0,24
Cs137	37 лет	0,36
Ta182	117 дней	0,61
Ra22e*	1620 лет	0,84
Co60	5,3 года	1,30
* При платиновом фильтре толщиной 0,5 мм.		
новное уравнение, которое используется для вычисления удельной
активности изотопов, получаемых в ядерном реакторе, имеет вид
1,64а-1СГ11 F
0,693 \
-е т /,
(7.8)
где S — удельная активность изотопа в момент извлечения из
реактора в кюри!г-,
о — сечение активации облучаемого вещества в барнах
(1 барн= 10-24 см2)',
F—нейтронный поток в реакторе в н!см2-сек',
А — атомный вес облучаемого вещества;
t — время облучения в реакторе в сек\
Т — период полураспада полученного изотопа.
157
Таблица 24
Величины нейтронных потоков и размер облучаемого образца для реакторов*
используемых для производства радиоактивных изотопов
Реактор	Местонахождение	Нейтронный поток в Н/см2-сек	Размер облучаемо- го образца в мм
Графитовый реактор	Ок-Риджская Нацио-	МО*1 —	20 0 х 75
Брукхэйвенский реактор	нальная Лаборатория Брукхэйвенская Наци-	— 7-Ю11 МОИ _	90x90x250 20 0 х 54
Испытательный реактор	ональная Лаборато- рия Ок-Риджская Нацио-	-4-1012 1013	300x300x600 10 0 X 45
с малой плотностью нейтронного потока (L1TR) Реактор для испытания	нальная Лаборатория Национальная станция	5 • 10j3	Зависит от раз-
материалов (MTR) Аргоннский исследова- тельский реактор (СР-5)	по испытанию реак- торов в Айдахо Аргоннская Нацио- нальная Лаборатория	5-1012	меров контейне- ра пневмопочты или отверстия
В табл. 24 приведены значения нейтронных потоков в раз- ,
личных реакторах, которые используются для производства изо- -
топов. Сечения активации некоторых изотопов составляют следу-
ющие величины:
Радиоактивный изотоп............Cs134	Со60	Ir1^4	Та182	W187	Ей152	Ей154
Сечение в барнах................ 26	34	130	21	40	5500	420
Если 1 г Na подвергается облучению в потоке нейтронов
5-Ю11 н]см?сек в течение 7 дней, то удельная активность полу-
ченного изотопа Na24 (о = 0,6 барн)
о 1,64-Ю"'11-5-10u-0,6 L
S =---------55--------U-б
0,693-7-24
15,06
S = 0,21 кюри/г.
Масса т полученного радиоактивного изотопа в расчете
на грамм исходного' вещества может быть вычислена по фор-
муле
т = 7,7- 10~95ЛТ,
(7.9)
где т— масса радиоактивного изотопа в г;
А — атомный вес полученного изотопа;
S — удельная активность изотопа в кюри!г\
Т — период полураспада изотопа в сутках.
158
Поглощение. При взаимодействии с веществом гамма-лучи
ведут себя подобно рентгеновским лучам. Уравнение (6.8), выве-
денное в гл. 6 для поглощения рентгеновских лучей, справедли-
во также для поглощения гамма-лучей. По аналогии с рентге-
новскими лучами толщиной двукратного ослабления гамма-лу-
чей называется толщина вещества поглотителя, которая тре-
буется для того, чтобы уменьшить интенсивность направленно-
го моноэнергетического излучения до половины первоначально-
го значения.
Толщина двукратного ослабления для свинца, например, мо-
жет быть вычислена из уравнения. .
— = 0,5 = Га,5“,
А)
х = 1,25 см (для Е = 1,5Мэв).	(7.10)
Толщина двукратного ослабления для различных погло-
тителей и радиоактивных изотопов приведена в табл. 25
Пленки. Для гаммаграфи-
рования применяются те же
пленки и экраны, что и для
рентгенографирования. Обра-
ботка пленок также одина-
кова.
Источники гамма-излуче-
ния. В этом разделе рассмот-
рены различные источники
гамма-излучения, применяемые
в гаммаграфировании.
Радий (Ra226) и радон
(Rn222). Радий в промышлен-
ном гаммаграфировании в
конце двадцатых годов теку-
щего столетия применил
д-р Мель [1]. Радий представ-
ляет собой естественный гам-
Таблица 25
Толщина двукратного ослабления для
некоторых материалов в мм
Материал	Источник		
	Со60	Cs187	1г192
Свинец .	12,5	6,5	4,8
Сталь ....	22,5	17,5	11,2
Алюминий . . ‘	56	40	30
Бетон ....	68	54	48
Вода ....	135	92	81
ма-излучатель, период полураспада которого составляет 1590 лет.
Тенней и его сотрудники [2] приводят следующие значения энер-
гии гамма-квантов, испускаемых радием: 0,24; 0,29; 0,34; 0,60;
1,12; 1,76 и 2,19 Мэв. Наиболее интенсивно излучение при энер-
гиях 0,6, 1,12 и 1,76 Мэв. Средняя энергия гамма-излучения ра-
дия составляет примерно 1,7 Мэв. Гамма-лучи, испускаемые
радием, по проникающей способности приблизительно эквива-
лентны рентгеновскому излучению, генерируемому при напряже-
нии 2 Мв.
Радиевый источник активностью 1 кюри имеет мощность
0,86 р!ч-м. Радий используется при гаммаграфировании
стальных изделий, толщина которых лежит в пределах от 50 до
150 мм.
159
Толщина слоя двукратного ослабления по гамма-излу-
чению радия равна для свинца 13 мм, для железа 23 мму для
бетона 76 мм. Гамма-лучи, испускаемые радием и радоном,
имеют одинаковые характеристики, поэтому в принципе радон
может быть использован в качестве заменителя радия. Но вслед-
ствие того, что период полураспада радона составляет 3,85 дня,
при такой замене в методику просвечивания должны быть вне-
сены определенные поправки, чтобы компенсировать уменьшение
интенсивности источника.
Кобальт (Со60). Изотоп Со60 [2] получается в результате об-
лучения чистого кобальта тепловыми нейтронами. Этот изотоп
имеет период полураспада 5,3 года. При промышленном ис-
пользовании радиоактивного кобальта для гаммаграфирования,
по-видимому, является достаточным корректировать величину
экспозиции по мощности источника через интервалы в 6 мес.
Удельная активность Со60 составляет приблизительно 10 кюри)г.
Гамма-лучи, испускаемые Со60, имеют энергию 1,17 и lf33 Мэв',
это соответствует примерно эффективной энергии рентгеновских
лучей, генерируемых при напряжении 2 Мв.
Можно считать, что 1 кюри Со60 эквивалентен 1,5 кюри ра-
дия. Препарат Со60 можно использовать для просвечивания ста-
ли толщиной от 50 до 150 мм.
Иридий (1г192). Изотоп 1г1921[3] образуется при облучении ме-
таллического иридия нейтронами в ядерном реакторе. Иридий
обладает большим поперечным сечением поглощения на теп-
ловых нейтронах, что значительно облегчает быстрое приготов-
ление радиоактивного препарата с высокой удельной актив-
ностью.
Практически возможно получение иридиевых источни-
ков с удельной активностью свыше 300 кюри!г. Это позволяет
создавать мощные источники с весьма малыми размерами фо-
кусного пятна; обычные размеры таких источников составляю!
— 3 мм по диаметру и— 3 мм по длине. Период полураспада;
иридия равен 74,4 дня. Распад 1г192 сопровождается испускани-
ем гамма-квантов энергией от 136 до 1157 кэв; известно около
20 групп гамма-квантов. Доминирующую роль играют гамма-
кванты с энергией 310, 470 и 600 кэз. Приближенно можно счи-
тать, что излучение от изотопа эквивалентно рентгеновским лу-
чам, генерируемых в трубке, для которой пик напряжения при-
ходится на диапазон от 800 до 900 кв.
На фиг. 93 показана кривая ослабления для 1г192. Наклон
кривой с увеличением толщины стали меняется вследствие по-
степенного поглощения менее проникающих компонентов излу-
чения.
Верхний и нижний пределы просвечиваемых толщин для
различных материалов при 2%-ной чувствительности приведены
в табл. 26. Вопрос об использовании 1г192 для флуороскопии рас-
смотрен Герреттом [3].
160
Для тонких сечений большая радиографическая чувствитель-
ность может быть достигнута при использовании 1г192, а не Со60,
но для толщин, больших чем 25 мм, чувствительность для обоих
препаратов приблизительно
одинакова. На фиг. 94 приве-
ден график экспозиции для
1г192. Сравнение чувствитель-
Толщина стали
Фиг. 93. Кривая ослабления
излучения изотопа 1г192
сталью.
Фиг. 94. График экспозиции
для изотопа 1г192 (безэкранная
пленка «Кодак», проявление в
течение 8 мин при 20 °C быст-
родействующим фирменным
проявителем для рентгенов-
ских пленок; передний свинцо-
вый экран 0,25 мм, задний
свинцовый экран 0,375 мм).
ности для 1г192 и других видов излучения при различных тол-
щинах стали приведено в табл. 27.
Таблица 27
Сравнительная чувствительность при
просвечивании стали гамма-излучением
1г192 и другими видами излучения
Таблица 26
Диапазон толщин различных
материалов, просвечиваемых
с помощью источника 1г192
Материал	Предел в мм	
	нижний	верхний
Алюминий		9,5	254
Латунь			3,2	127
Бронза 		3,2	127
Монель		3,2	127
Сталь 		1,3	63
Титан		6,4	203
Цирконий 		6,4	203
6 Испытания без разрушения
Излучение	Тол- щина стали, в мм	Чувстви- тельность (наблюда- емая)
1г192	12,7	1,6
1г192	25,4	0,8
1г192	38	0,5
1г192	44	0,9
1г192	64	0,6
200 кв	25,4	0,5
200 кв	44	0,6
400 кв	51	0,7
161
Таблица 28
Разрешающая способность
гамма-снимков, полученных
с помощью источника Cs137
Алюминий
Сталь
Разреша-
ющая спо-
собность
в %
Разрешаю-
щая спо-
собность
в %
Тол-
щина
в мм
Толщина
в мм
3,7
2,6
2,6
12,7
25,4
38
51
64
40
76
116
8
4
3,3
3
2,4
Цезий (Cs137). Изотоп Cs137 является одним из побочных про-
дуктов деления. В процессе переработки «сожженного» ядерно-
го топлива получается смесь изотопов, содержащая приблизи-
тельно равные части Cs133, Cs135 и Cs137. Изотоп Cs133 не является
радиоактивным, a Cs135 испускает лишь бета-частйцы. Изотоп
Cs137 распадается по изомерной схеме с образованием Ва137; пе-
риод полураспада этой реакции равен 37 годам. Гамма-излуче-
ние цезиевого источника воз-
никает при распаде этого изо-
топа бария; энергия гамма-
квантов составляет 0,667 Мэв.
Помещая цезиевый препарат в
контейнер достаточной толщи-
ны для исключения влияния
бета-излучения, можно полу-
чить монохроматический источ-
ник гамма-квантов с энергией
0,667 Мэв. Источник с препара-
том Cs137 примерно эквивален-
тен рентгеновской трубке с на-
пряжением 1 Мв. Расчетная
мощность цезиевого источника
составляет 0,37 р/ч- м)кюри.
Изотоп Cs137 наиболее приго-
ден для просвечивания стали толщиной от 40 до 65 мм.
В табл. 28 приведены данные по разрешающей способности,
полученные Датли и Тэйлором [4] при использовании препарата
Cs137 для просвечивания алюминия и стали. Разрешающая спо-
собность в данном случае определялась как возможность визу-
ального выявления радиографического изображения эталонного
цилиндрического отверстия с равными диаметром и глуби-
ной.
Тулий (Ти170). Изотоп Ти170 [5], [6] распадается с испускани-
ем бета-частиц и гамма-квантов с энергией 0,084 Мэв. При рас-
паде промежуточного изотопа Yb возникает также рентгенов-
ское излучение с энергией 52,2 кэв. Период полураспада тулия
составляет 129 дней. Расчетная мощность источника Ти170 равна
45-10~4 р1ч-м!кюри. На фиг. 95 и 96 показано ослабление из-
лучения тулия медью и алюминием.
В связи с низкой проникающей способностью бета-частиц мо-
жет возникнуть представление, что единственным эффективным
излучением являются гамма-кванты с энергией 84 кэв и рентге-
новские лучи, обусловленные иттербием.
В данном случае это неверно, так как бета-частицы, взаимо-
действуя с атомами тулия, вызывают вторичное рентгеновское
излучение. Это излучение, известное под названием «тормозно-
го», для Ти170 имеет энергию 500 кэв. Численное соотношение
между интенсивностью гамма-излучения с энергией 84 кэв и
162
тормозного излучения зависит от размера источника; в графиче-
ской форме эта зависимость показана на фиг. 97.
При просвечивании стальных образцов, толщина которых не
превышает 12 мм, Ти170 позволяет получать гаммаграммы зна-
чительно более высокого качества, чем полученные с помощью
Фиг. 95. Кривая ослабления
излучения изотопа Тш170
медью:
/ — источник 4X4 мм, 2—источ-
ник 2X2 мм.
Фиг. 96. Кривая ослабления
излучения изотопа Тш170
алюминием:
/ — источник 4X4 мм, 2— источ-
ник 2X2 мм.
любого другого изотопа. Для образцов толщиной больше 12 мм
достигаемая чувствительность становится сравнимой с чувстви-
тельностью при использовании 1г192. Чувствительность для ста-
ли различной толщины имеет следующие значения:
Толщина в мм................................2,5 5,0 10,2 12,7
Расчетная чувствительность ............. 1,9 1,3 1,1 1,2
Изотоп Ти170 можно также использовать для просвечивания алю-
миниевых изделий толщиной от 3 до 50 мм.
Европий (Ей155). Изотоп Ен155 испускает большое число мяг-
ких гамма-квантов с наивысшей энергией 136,8 кэв. Две основ-
ные группы гамма-квантов имеют энергию 100 (40%) и 85
(60%) кэв. Период полураспада Ей155 равен 1,7 г. Две основные
группы гамма-квантов испускаются каскадно; суммарное значе-
ние энергии, выделяемой при распаде, составляет приблизи-
тельно 200 кэв. Для получения радиоактивного европия мргут
быть использованы два метода: нейтронное облучение самария
и непосредственное извлечение Ей155 из продуктов деления ура-
на. В обоих случаях получается изотоп Ей154 с периодом
6*	163
Фиг. 97. Влияние размера источника
на интенсивность тормозного излуче-
ния тулия:
1 — излучение Tml70, 84 кэв, 2 — излучение
YKb, 3 — излучение TmK+тормозное излу-
чение от 30 до 85 кэв, 4 — тормозное из-
лучение, 85 кэв.
полураспада 16 лет, испускающий жесткие гамма-кванты. По
энергии излучения Ей155 сравним с Ти170, но в связи с большим
периодом полураспада имеет перед ним преимущество.
Церий (Се144). Изотоп CeI4i представляет собой продукт де-
ления ядра урана с периодом полураспада 290 дней. Испускае-
мые гамма-лучи имеют энергию 135 кэв. Мощность источника
Се144 составляет около 60 р/чХ
\м1кюри. При распаде Се141
переходит в Рг144, который, в
свою очередь, распадается с
испусканием гамма-квантов
энергией 2,2, 1,5 и 0,7 Мэв.
Наличие жестких гамма-кван-
тов, обусловленных распадом
Рг144, вызывает серьезные за-
труднения при использовании
препарата Се144 в гаммагра-
фировании. Стоимость Се144
значительно выше стоимости
Ти170.	«
Америций (Ат241). Изотоп
Ат241, период полураспада ко-
торого составляет 470 лет, об-
разуется в результате облуче-
ния плутония потоком нейтро-
нов. Испускание гамма-кван-
тов с энергией 59 кэв сопровождается рентгеновским излуче-
нием, обусловленным внутренней конверсией; энергия рентгенов-
ского излучения равняется примерно 14 кэв. Как показали изме-
рения, линейный коэффициент поглощения ц для стали толщиной
до 4 мм равен 9,75 см~\ а для алюминия толщиной до 40 мм —
0,75 см~г.
Ксенон (Хе133). Изотоп Хе133 имеет период полураспада
5,3 дня и испускает гамма-кванты энергией 0,081 Мэв.
Тантал (Та182). Изотоп Та182 используется в качестве заме-
ны Со60. Этот изотоп образуется в результате захвата нейтрона
изотопом Та181 при помещении его в ядерный реактор. Препа-
рат имеет период полураспада, равный 120 дням, ц удельную ак-
тивность 48 кюри)г. Спектр гамма-излучения крайне сложен и
включает свыше 40 линий. Характеристики поглощения Та182
очень близки к характеристикам поглощения Со60. Толщина по-
лупоглощения по свинцу составляет ~ 1,3 мм.
Сурьма (Sb124). Изотоп Sb124 имеет период полураспада
60 дней. Спектр излучения включает гамма-кванты с энергией
2,0 и 1,7 Мэв, вследствие чего этот изотоп имеет некоторые пре-
имущества перед Со60 и радием при просвечивании толстых
стальных изделий. Серьезным недостатком препарата Sb124 яв-
ляется низкая удельная активность, равная 5 кюри/г.
164
Сравнение различных гамма-излучателей, рассмотренных вы-
ше, приведено в табл. 29.
Таблица 29
Источники жесткого гамма-излучения
Изотоп	Период по- лураспада	Энергия1 в Мэв	Изотоп	Период полу- распада	Энергия1 в Мэв
Na24	15,06 ч	2,754	ВГ82	35,87 ч	1,312
Ga72	14,3 ч	2,51	Fe59	45,1 дней	1,289
La140	40 ч	2,50	Та182	115 дней	1,223
Ir1»4	19 ч	2,10	Sc46	85 дней	1,12
Sb124	60 дней	2,04	Zn65	250 дней	1,12
As76	26,8 ч	1,7	Rb86	19,5 дней	1,08
Pr142	19,2 ч	1,59	Rh106 (Ru106)	30 сек,	1,045
Agiiom	270 дней	1,516	Cs134	2,3 года	0,794
K42	12,44 ч	1,51	W’87	24,1 ч	0,78
Eu152’ i5i	13 лет;	1,40	Zf95	65 дней	0,754
	16 лет		Nb95	35 дней	0,745
Co60	5,27 года	1,33	Ba137/n (Cs137)	2,6 мин	0,662
1 Величины, приведенные в таблице, соответствуют максимальной энергии излучения,					
относительная	доля которого составляет не менее 5 % .				
Дозиметрический контроль. При работе с радиоактивными
изотопами постоянный дозиметрический контроль необходим для
того, чтобы оценить эффективность мероприятий, предпринимае-
мых для защиты персонала от воздействия облучения, а также
для того, чтобы установить нормы пребывания в опасных ме-
стах. Так как такой контроль не может предоставить данные
по дозам, воспринятым каждым оператором в отдельности, то
необходимым дополнительным контрольным мероприятием яв-
ляется ношение каждым оператором индивидуального дозиметра.
Эти приборы позволяют судить об эффективности защитных
устройств. В зависимости от рода измеряемой величины дози-
метрические приборы подразделяются на две группы: дозимет-
ры, измеряющие мгновенное значение мощности дозы, которые
обычно употребляются при контроле на рабочих местах, и до-
зиметры, измеряющие суммарную или интегральную дозу, наи-
более пригодные для индивидуального контроля.
Дозиметры, измеряющие мгновенное значе-
ние мощности дозы. Эти приборы предназначены для оп-
ределения количества лучистой энергии, воспринятой в единицу
времени. К таким приборам относятся счетчики Гейгера-Мюлле-
ра, а также другие регистрирующие устройства, основанные на
ионизационном действии излучения. Как правило, счетчики Гей-
гера-Мюллера применяются для измерения мощности дозы, зна-
чение которой лежит в пределах от доли миллирентгена в час
до 20 мр)ч. Другие ионизационные приборы применяют для
165
регистрации мощности от 1 мр/ч до нескольких рентгенов в час
и более. В промышленной радиографии наибольшее применение
находят приборы, способные измерять мощность дозы в диапа-
зоне от 1—2 мр/ч до —5 р/ч. Одной из наиболее важных мер по
обеспечению безопасности работы является периодическая про-
верка градуировки дозиметрических устройств. Градуировать
необходимо в помещении, свободном от металлических предме-
тов и оборудования. Все радиоактивные источники за исключе-
нием источника, используемого для градуировки, должны быть
удалены из зоны градуировки. Прибор должен быть закреплен
таким образом, чтобы чувствительный объем прибора мог быть
соответствующим образом ориентирован по отношению к источ-
нику. Расстояние между источником и прибором должно быть
достаточно большим по сравнению с размерами камеры при-
бора.
Дозиметры, предназначенные для измерения
интегральной дозы. Интегральные дозиметры определяют
суммарную дозу облучения, воспринятую в любой заданный пе-
риод времени. Для работы с гамма-излучателями наиболее
часто употребляемыми приборами индивидуального контроля яв-
ляются карманные ионизационные камеры, карманные электро-
скопы (дозиметры) и пленочные дозиметры. При работе с пере-
носными радиографическими приборами, а в некоторых случаях
при обслуживании стационарных установок, рекомендуется ис-
пользовать для индивидуального контроля как карманные иони-
зационные камеры, так и пленочные дозиметры.
Пленочный дозиметр пригоден для регистрации суммарной
дозы, воспринятой в течение недели, в то время как карманная
ионизационная камера позволяет определить дозу, воспринятую
оператором за любой период времени. Пленочные дозиметры ча-
сто используют для измерения дозы облучения, воспринятой пер-
соналом. Проявленные пленки характеризуются различной сте-
пенью почернения, зависящей от количества поглощенной энер-
гии; данные измерений, зафиксированные на фотопленке, пред-
ставляют собой превосходный контрольный документ. Так как
срок службы пленочных дозиметров до проявления фотопленки
и измерения дозы составляет, как правило, неделю, то на осно-
вании суммарного облучения трудно оценить дозу, воспринятую
при выполнении той или иной отдельной операции. Таким обра-
зом, эти дозиметры не могут быть использованы для определе-
ния необходимости срочных профилактических мер.	‘
Пленочные дозиметры показывают интегральную восприня-
тую дозу в пределах от 30 мр до нескольких рентген и более. )
Применение и хранение радиоактивных источников. На прак-
тике для работы с радиоактивными источниками как в полевых 1
условиях, так и в лабораториях используются приспособления,
в которых закрепляются радиоактивные препараты.	|
Эти радиографические установки (фиг. 98) сконструирова- 1
166
ны таким образом, что гамма-излучение может быть направле-
но на исследуемый объект в виде узкого пучка. В настоящее вре-
мя промышленное применение находят радиографические уста-
новки, обеспечивающие безопасное хранение и использование
радиоактивйых источников активностью в сотни кюри. Такие
установки рекомендуется применять в том случае, когда актив-
ность источника превышает 1 кюри Со60 или его эквивалента.
В США выпускается радио-
графическая установка «Изо-
скоп», разработанная компанией
«Бэбкок и Вилькокс». Активность
препарата Со60 в этой установке
составляет 1008 кюри. В установ-
ке используется свинцовый ротор,
который поворачивается на угол
180° в свинцовом цилиндре. На
фиг. 99 показаны разрезы рабо-
чей камеры «Изоскопа» в гори-
зонтальной и вертикальной плос-
костях; видны пробки из тяжело-
го сплава «хевимет», обеспечи-
вающие минимальную толщину
защиты, эквивалентную ~22 см
свинца. Сплав «хевимет», в со-
став которого входит вольфрам
(90%), никель (6%) и медь
(4%), имеет плотность около
17,0 г) см3. В «открытом» положе-
Фиг. 98. Рабочие контейне-
ры для размещения радио-
НИИ испускание направленного
пучка гамма-квантов происходит
через отверстие во внешнем свин-
цовом цилиндре. Поворотом
внутреннего цилиндра на 180°
источник может быть переведен
в «закрытое» положение; при
этом минимальная толщина защиты
активных препаратов:
1 — стержень для перемещения
источника, 2 — свинцовая защи-
та, 3 — источник (может быть
выдвинут для панорамного про-
свечивания), 4 — свинцовые ци-
линдры, 5 — отверстие для вы-
хода пучка, 6 — источник (не-
рабочее положение).
составляет ~22 см по
свинцу. Собственно источник состоит из 22 кобальтовых дисков
диаметром 1 см и толщиной 2 мм. Вследствие самопоглощения
эффективная активность снижается до 464 кюри, что эквива-
лентно мощности дозы 660 р/ч на расстоянии 1 м. Свинцовая
сфера, заключенная в стальной кожух, установлена на специ-
альном электрокаре, снабженном подъемником для перемещения
источника по высоте; «Изоскоп» оборудован также механизмом
для изменения наклона изотопной камеры и поворотным сто-
лом, что обеспечивает любое требуемое направление пучка излу-
чения.
Для транспортировки изотопов, как правило, применяют
специальные контейнеры, спроектированные так, чтобы интенсив-
167,
ность излучения на их внешних поверхностях не превышала
вполне определенного безопасного уровня. Правила перевозки,
выработанные в США, предусматривают следующие нормы при
транспортировке радиоактивных веществ: мощность дозы на по-
верхности контейнера — не более 200 мр!щ на расстоянии 1 м от
центра упаковки — не более 100 мр!ч.
Бета-излучатели перевозят в бетонных, гамма-излучатели —
в свинцовых контейнерах. Для хранения гамма-излучателей, как
правило, используются свинцовые (или чугунные) контейнеры,
аналогичные контейнерам для перевозки. Контейнеры могут хра-
Фиг. 99. Рабочая камера «Изоскопа»:
1—пробки из сплава «Хевимет».
йиться на полу либо на стеллажах в непосещаемой части лабо-
ратории; дополнительные защитные экраны при этом не тре-
буются.
Рекомендации по безопасному применению радиоактивных,
веществ в радиографии. 1. К работе с радиоактивными источни-
ками должны допускаться лишь лица, прошедшие специальную
подготовку.
2.	Радиоактивные источники должны использоваться, хра-
ниться и транспортироваться так, чтобы суммарная недельная
доза, воспринятая любой частью тела оператора, не превышала
0,3 р.
3.	Все площадки для работы с радиоактивными источниками
должны иметь ограждение. Интенсивность облучения на грани-
цах площадки не должна превышать 6,25 мр!ч.
4.	Все подготовительные радиографические операции долж-
ны выполняться до того, как источник переведен в рабочее по-
ложение.
5.	При работе с незащищенными радиоактивными препарата-
ми следует пользоваться длинными щипцами или пинцетами.
6.	Во всех местах, где персонал может подвергаться облуче-
нию, необходимо периодически измерять радиоактивность.
168
7.	Ношение пленочных дозиметров или карманных ионизаци-
онных камер, а также регистрация данных по облучению персо-
нала являются обязательными.
8.	Приборы дозиметрического контроля необходимо периоди-
чески градуировать.
9.	Источники, хранящиеся снаружи зданий или в непосещае-
мых местах, должны быть помещены ц запертые и защищенные
контейнеры.
10.	На всех площадках, где хранятся или используются ра-
диоактивные материалы, должны быть размещены знаки, преду-
преждающие о радиационной опасности.
ГЛАВА 8
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ контроль
Контроль с помощью ультразвука находит в настоящее вре-
мя все более широкое применение в области испытаний матери-
алов без разрушения. Ранние попытки использовать ультразвук
в целях контроля не были в полной мере успешными, так как
существовавшее в то время оборудование не было достаточно
совершенным; кроме того, это оборудование было настолько
сложным, что могло применяться лишь в лабораторном масшта-
бе и должно было обслуживаться технически обученным персо-
налом. Впоследствии использование электронных схем, разра-
ботанных во время второй мировой войны в процессе создания
радара, позволило в такой степени усовершенствовать ультра-
звуковые приборы, что ультразвуковой контроль становится од-
ним из наиболее надежных и удобных методов испытаний. Об-
служивание ультразвуковых приборов, применяемых в настоя-
щее время в промышленности, не требует от оператора никакой
специальной тренировки.
Еще и сейчас нередко для выявления дефектов применяется
метод «прозвучивания» изделия, когда о наличии или отсутст-
вии дефекта судят по характерному звуку, издаваемому изде-
лием при ударе.
В отличие от доброкачественного изделия, треснувшее изде-
лие издает более глухой и дребезжащий звук. Такая техника
прозвучивания позволяет обнаруживать только значительные по
величине дефекты, так как длина звуковых волн, воспринимае-
мых слуховым аппаратом человека, велика по сравнению с раз-
мерами дефекта, и звуковая волна огибает дефект. Было пред-
принято много попыток улучшить технику прозвучивания и уве-
личить чувствительность подобного метода испытаний. Разра-
ботаны ударные устройства с электромагнитным приводом для
простукивания изделий с некоторой постоянной частотой. Для
того чтобы уловить изменение тональности издаваемого изде-
лием слышимого звука, используются такие приборы, как сте-
тоскопы, телефонные устройства, микрофоны и электронные
усилители. В '«Справочнике по сварке» [1] упоминается об ис-
170
пользовании стетоскопа для обнаружения дефектных сварных
швов. При этом, чтобы исключить восприятие оператором по-
сторонних звуков, применяются бинауральные стетоскопы. Сте-
тоскоп размещается вблизи шва, который равномерно просту-
кивается легким молотком. Изменение звучания, улавливаемое
стетоскопом при перемещении вдоль шва, указывает на наличие
несплошностей в сварном шве; например, дребезжащий звук вы-
сокой тональности указывает на непровар в шве. Этим методом
можно обнаружить трещину в сварном шве, но возможность вы-
явить прослушиванием, например, пористость крайне сомни-
тельна. Ценность таких испытаний невелика, особенно если из-
делие имеет сложную 'форму.
В результате разработки и усовершенствования надежных ме-
тодов генерирования и детектирования ультразвуковых волн (ча-
стотой свыше 20 000 гц) в настоящее время могут быть обнаруже-
ны крайне малые дефекты. Это обусловлено тем фактом, что
длина волны ультразвуковых колебаний соизмерима с теми де-
фектами, которые необходимо обнаружить. Помимо этого, боль-
шинство металлов вследствие хороших упругих свойств свобод-
но пропускают ультразвуковые колебания. Если внутри матери-
ала находятся какие-либо несплошности, то в результате акусти-
ческого смещения пучок ультразвуковых волн претерпевает ча-
стичное отражение, величина которого может быть измерена.
Все физические законы для обычных звуковых частот справед-
ливы также и для ультразвуковых колебаний. Следует отметить,
однако, что определенные явления в области ультразвуко-
вых частот не всегда наблюдаются в диапазоне «слышимых,»
звуков.
Виды волновых колебаний. Существует несколько видов
ультразвуковых волн, а именно: продольные, поперечные и по-
верхностные. Распространение ультразвуковых волн зависит от
колебаний частиц вещества —частицы среды смещаются по мере
прохождения волны. Продольными называются такие волны, в
процессе прохождения которых через некоторую среду частицы
среды смещаются в направлении движения волны. Эти волны
иногда называют также волнами расширения или сжатия, или
невращаюшимися волнами. В поперечных или сдвиговых волнах
частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной к на-
правлению распространения волн. Различие между продольны-
ми и сдвиговыми волнами проиллюстрировано на фиг. 100.. Изо-
тропное твердое тело способно пропускать как продольные, так
и поперечные волны; поэтому любой из этих двух видов волн
может быть использован для испытаний материалов.
При определенных условиях ультразвуковые волны с доста-
точно большой амплитудой могут распространяться по поверх-
ности материала. Поверхностные волны могут быть разделены
на три группы: волны Рэлея, волны Лэмба и волны Лява. Волны,
длина которых мала по сравнению с толщиной твердого тела,
171
Фиг. 100. Распространение про-
дольных и сдвиговых волн:
1 — вибропреобразователь.
Скорость распространения
измеренной по перпендикуляру к поверхности, известны под на-
званием волн Рэлея. Эти волны до некоторой степени аналогич-
ны волнам на поверхности воды; перемещение частиц в этом слу-
чае происходит в продольном и в поперечном направлениях. Ко-
лебания происходят в плоскости, содержащей направление рас-
пространения волн и нормаль к поверхности тела.
Колебания по нормали к поверхности тела имеют крайне
малую амплитуду, и перемещение частиц по перпендикуляру к
направлению распространения вол-
ны практически отсутствует. Ско-
рость распространения волн Рэлея
меньше скорости распространения
ультразвуковых волн в самом теле;
для металлов эта скорость состав-
ляет приблизительно 0,9 скорости
распространения сдвиговых волн.
Поверхностные волны, длина кото-
рых соизмерима с толщиной поверх-
ности, называются волнами Лэмба..
Тонкая пластина способна пропус-
кать бесконечное число волн Лэмба,
этих волн определяется произведе-
нием толщины пластины на частоту волновых колебаний. При
распространении волн Лява вертикальная компонента колебаний
отсутствует.
Условием возникновения таких волн является наличие
тонкого слоя какого-либо материала на поверхности боль-
шой массы вещества другой плотности. Скорость распростране-
ния волн Лява с увеличением частоты колебаний уменьшается.
Волны, подобные волнам Рэлея и Лява, могут распространяться
вдоль общей поверхности двух материалов, отличающихся па
упругим свойствам и плотности [2].
Волновая скорость. Скорости распространения продольных
волн, поперечных волн и волн Рэлея определяются следующими
выражениями.
Скорость распространения продольных волн:
1. Скорость распространения волны в тонком стержне, т. е. в
стержне, диаметр которого много меньше длины волны:
v
(8.1)
2. Скорость распространения волны в среде бесконечной про- ;
тяженности, т. е. в среде, размеры которой велики по сравнению
с длиной волны:	7
р (1 +fx) (1 —2}Х) ’
(8.2)
172
Скорость распространения поперечных волн
= = <8-3»
Скорость распространения поверхностных волн Рэлея
vR = Кит ~ 0,9^г.	(8.4)
В этих формулах
Е — модуль упругости;
р — плотность;
ц — коэффициент Пуассона:
G — модуль жесткости;
К — корень следующего уравнения:
— 8/С + 8 (3 - 2а2) к2 + 8 (а2 — 2) - о. (8.5)
В последнем выражении а =	—величина постоянная
для данного материала.
Скорость распространения ультразвуковых волн будет иметь
размерность см!сек, если величины, входящие в формулы (8.1) —
(8.3), будут выражены в следующих единицах: модуль упруго-
сти Е— в дин/см?, плотность р — в г/см3.
В табл. 30 приведены некоторые свойства и скорости распро-
странения ультразвуковых волн для различных технических ма-
териалов.
Соотношение между частотой /, длиной волны Z и скоростью
ее распространения v для всех видов ультразвуковых волн, за
исключением волн Лэмба, определяется выражением
Я = v.	(8.6)
Следует помнить, что скорость распространения зависит толь-
ко от среды; поэтому в том случае, когда волна с частотой f пе-
реходит из одной среды в другую, длина ее изменяется.
Распространение пучка ультразвуковых волн. Вследствие ма-
лой длины волны ультразвуковые волны распространяются пре-
имущественно по прямой линии. Именно это свойство делает
ультразвуковые волны пригодными для обнаружения дефектов.
По мере уменьшения длины волн распространение их становит-
ся все более прямолинейным. Однако с удалением от источника
ультразвуковых волн волновой пучок всегда несколько расхо-
дится. Угол расхождения пучка а определяется следующим со-
отношением:
sin—= 1^	(8.7)
2 d
где % — длина волны;
d — диаметр источника.
173
Таблица 30
Скорость распространения ультразвуковых волн и величина акустического сопротивления для различных тел
Материал	Плотность в г/сл«3	Коэффи - циент Пуассона	Упругие постоянные		Скорость в см/секх ХЮ5			Акустическое сопротивление в г/см2 X сек 105	
			Е в дн/см2х ХЮ”	G в дн/см2х ХЮ11	VL	V?	VR	VL	Vj1
Алюминий		2,699	0,355	7,2	2,7 >	6,25	3,1	2,79	16,9	8,36
Бериллий 		1,82	0,05	29,0	14,1	12,8	8,72	7,87	23,4	15,9
Латунь 		8,44	0,374	10,4	3,8	4,7	2,13	1,93	39,6	18,0
Медь		8,89	0,37	11,0	4,05	4,62	2,13	1,93	41,0	19,0
Гафний		11,3		9,7	. •.	3,86	2,08	1,93	43,8	23,6
Свинец 		11,34	0,43	1,65	0,58	1,955	0,65	0,585	22,2	7,2
Магний		1,74	0,31	4,6	1,6	5,77	3,05	2,74	10,0	5,35
Монель		8,90	0,327	18,0	6,6	5,34	2,72	2,46	24,3	21,9
Ртуть 		13,55		...		1,445	...		19,6	...
Никель 		8,90	0,34	20,7	7,95	6,025	3,0	2,69	53,7	26,7
Платина		21,45	0,303	18,1	6,4	3,14	1,725	1,55	67,7	37,1
Серебро 		10,49	0,38	7,5	2,7	3,63	1,625	1,445	38,1	17,1
Нержавеющая сталь ....	7,91	0,30	19,6	7,5	5,75	3,1	2,8	45,5	24,5
Олово 		7,30	0,34	5,5	2,08	3,38	1,67	1,505	24,7	12,2
Продолжение табл. 30
Материал	Плотность в г/сл*з	Коэффи- циент Пуассона	Упругие постоянные		Скорость в см/сек х X 105			Акустическое сопротивление в г/см2 х сек 105	
			Е в дн/см2Х X 10“	G в дн/см^Х Х10’1		Vp	VR	VL	Vp
Вольфрам		19,25	0,28	40,7	16,0	5,18	2,87	2,64	100	55,3
Уран		18,5—19	0,25	17,6	7,0	3,38	1,93	1,75	63,8	36,4
Цирконий 		6,5	0,35	10,0	3,3	4,55	2,59	2,44	29,5	16,9
Воздух 		1,293-10-в		• >		0,33		...	4,3-10—4	. •,
Тетрахлорид углерода . . .	1,596	...		• • •	0,94			1,5	•..
Стекло 		2,32			> • •	5,64	3,28	2,95	13,1	7,6
Глицерин 		1,26	...		• • •	1,98	.. •		2,49	...
Люцит . 			1,182	0,40	0,33	0,14	2,67	1,09	0,992	3,15	1,3
Найлон		1,И	0,40	0,36	0,12	2,62	1,065	0,966	2,9	1,19
Трансформаторное масло . .	0,92	• > •			1,395	.. •	...	1,3	
Полиэтилен 		0,90	0,458	0,076	0,026	1,955	0,534	0,482	17,6	0,48	'
Полистирол 		1,056	0,405	0,53	0,117	2,34	1,12	1,015	2,47	1,17
Кварц		2,65		8,0	• i •	5,75	...	...	15,2	
Вода 		1,00			• • •	1,5			1,5	
Это' выражение показывает, что колебания высоких частот
обладают большей направленностью. Кроме того, при любой ча-
стоте кристалл диаметром 2,5 см дает более направленное излу-
чение, чем кристалл диаметром 1,25 см. На фиг. 101 показано
расхождение пучка для различных частот и размеров источника.
Если уменьшение частоты
приводит к тому, что длина
волны % становится соизме-
римой с размерами источ-
ника, то волны распростра-
няются от источника по всем
направлениям.
Когда ультразвуковые
волны встречают на своем
пути поверхность раздела
между двумя средами, часть
энергии отражается, а часть
проходит через эту поверх-
ность. Количество отражен-
ной энергии определяется
удельным акустическим со-
противлением каждой из
сред. Удельное акустическое
сопротивление определяется
как произведение двух ве-
Фиг. 101. Расхождение пучка ультра- личин, скорости распростра-
звуковых волн (на графике указана нения ультразвуковой ВОЛНЫ
частота колебаний и диаметр источ- в среде V и плотности среды
ника)’	р. Акустическое сопротивле-
ние для различных техниче-
ских материалов приведено в табл. 30. Отношение энергии отра-
женных волн к энергии волн, падающих на поверхность раздела
двух сред, определяется следующим выражением:
ЕГ == / Р1^1 ~ Р2^2 V
E'l \ Р1У1 Ч~ Р2у2 /
(8.8)
где Ег — отраженная энергия;
— падающая энергия;
Qi — плотность первой среды;
22 — плотность второй среды;
Vi — скорость распространения в первой среде;
V2 — скорость распространения во второй среде.
На фиг. 102 показано отношение отраженной энергии к па-
дающей для различных материалов. На границе вода — сталь,
например, отражается 88% падающей энергии; на границе воз-
дух— твердое тело отражается 100% падающей энергии.
Выражение (8.8) применимо в том случае, когда толщина вто-
176 „
рой среды значительно больше длины волны. Если толщина сре-
ды, через которую проходят ультразвуковые волны, примерно
равна или менее длины волны, то надо пользоваться следующим
выражением:
Ег
Ei
Pl^l  Р2^2 У
p2t>2	P1V1 /
. . 2 2’^ , ( Plfl , P2f2 Y
4ctg2— + ---------+------
A \ P2y2 P1V1 /
(8.9)
где t — толщина среды.
Максимальное пропускание будет при Z, равном целому чис-
лу полуволн; минимальное пропускание соответствует толщине
/, равной нечетному числу четвертей длины волны. Угол паде-
ния ультразвуковых волн равен углу отражения.
Фиг. 102. Коэффициент отражения ультразвуковых волн на границе двух
сред в функции отношения акустических сопротивлений (величина qc —
акустическое сопротивление среды; q— плотность среды в г/сж3; с — ско-
рость звука в среде в см! сек). Приблизительное значение акустического
сопротивления для различных сред в г/сж2 • сек:
воздух — 42, трансформаторное масло — 1,25 • 105, вода — 1,484 • 105, глицерин — 2,5 • Ю5,
стекло — 14.3 • 105, ртуть — 19,0 • 105, сталь — 3.9 • Ю5.
На практике одной из основных проблем при проведении
ультразвуковых испытаний является передача энергии ультра-
звуковых волн от источника к изделию. Обычно акустическая
•связь между источником и изделием осуществляется с помощью
промежуточной среды; в качестве такой связующей среды могут
быть использованы масло, вода или ртуть. Можно показать, что
наилучшей связующей средой является та, акустическое сопро-
тивление которой имеет значение, среднее между акустическими
сопротивлениями источника и испытываемого образца. Для того
чтобы выдерживалось условие максимального пропускания, свя-
зующая среда должна иметь толщину, равную целому числу
полуволн. Согласно Эрнсту '[3], потери, обусловленные различи-
•ем акустических сопротивлений, могут быть уменьшены введе-
нием пластинок, параллельные плоскости которых выполнены
177
из материалов, уравнивающих величины сопротивлений. Эти
пластинки называются «пропускающими» пластинками.
Преломление ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны,
наклонно пересекающие границу двух сред, резко изменяют на-
правление, если скорость распространения ультразвуковых волн
в этих средах различна. Это явление называется преломлением.
Угол преломления определяется следующим выражением:
sin 0 _ v±
sin р v2
(8.10)
Фиг. 103. Преобразование вида
ультразвуковых колебаний на гра-
нице двух сред.
где 0 — угол падения;
Р — угол преломления;
^1—скорость распространения в первой среде; ,
v2 — скорость распространения во второй среде.
Это выражение справедливо как для продольных, так и для
поперечных волн. Скорости и
v2 относятся также к сдвиговым
или поперечным волнам. Если
скорость распространения во вто-
рой среде больше, чем в первой,
то при некотором угле падения
угол преломления может соста-
вить 90°. Угол падения, для кото-
рого угол преломления составля-
ет 90°, называется критическим
углом. При углах падения боль-
щих, чем критический угол, пада-
ющая волна полностью отража-
ется, не проникая во вторую
среду.
Преобразование вида колеба-
может также возникнуть явление,
ний. На границе двух сред
называемое преобразованием вида колебаний. Это явление про-
исходит в том случае, когда ультразвуковая волна любого вида
падает на поверхность раздела двух сред под углами, отличны-
ми от прямого. В качестве примера на фиг. 103 показана про-
дольная волна, падающая на границу раздела под углом 0. В
самом общем случае возникают четыре отдельные волны, причем
волна каждого типа претерпевает отражение и преломление.
Между различными углами отражения и преломления сущест-
вует следующее соотношение:
sin 0 __ sin 6' __ sin р __ sin
VL VT Vl	Vt
(8.11)
где: 0 — угол падения и отражения продольной волны:
178
р — угол преломления продольной волны;
pz — угол преломления поперечной волны;
vL — скорость распространения продольной волны в среде /;
— скорость распространения поперечной волны в среде /;
vL — скорость распространения продольной волны в сре-
де//;
vT— скорость распространения поперечной волны в среде/Л
Поскольку скорости этих видов волн различны, они харак-
теризуются разными углами отражения и преломления. Эти вол-
ны имеют также различные критические углы, что дает возмож-
ность создать условия для полного отражения одного вида волн
и пропустить во вторую среду лишь одну преломленную волну.
Таким образом, для ультразвуковых испытаний можно исполь-
зовать либо одни продольные, либо одни поперечные волны.
Исследование общего случая отражения и преломления ульт-
развуковых волн на плоской границе между двумя средами бы-
ло произведено Ноттом [4].
Ослабление ультразвуковых волн. Потеря энергии при про-
хождении ультразвуковых волн через вещество обусловлена че-
тырьмя основными процессами: теплопроводностью, внутренним
трением, упругим гистерезисом и рассеянием. Потери зависят
главным образом от частоты ультразвуковых колебаний, вида
•и структуры материала, а также от его предварительной обра-
ботки. Ниже будет рассматриваться лишь ослабление, обуслов-
ленное рассеянием.
Согласно классической теории, поглощение звука вызывается
только теплопроводностью и внутренним или вязким трением.
Звуковые волны при прохождении через вещество вызывают в
нем адиабатическое сжатие и расширение, сопровождающиеся
мгновенным повышением и понижением температуры. При этом
происходит поглощение тепловой энергии при сжатии и выделе-
ние ее при расширении, что уменьшает энергию волны и вызы-
вает ослабление колебаний. В поликристаллических материалах
некоторая часть энергии теряется в результате вязкого трения
между зернами. Частично ослабление можно объяснить неупру-
гими свойствами твердых веществ. Расхождение между экспе-
риментом и теорией подтверждает, что существуют и другие
процессы, влияющие на поглощение энергии звуковой волны.
Ослабление ультразвуковой волны при прохождении через од-
нородную среду можно выразить следующей формулой:
A=AQe~ax,	(8.12)
где А — интенсивность звука после прохождения расстояния х:.
Ао — начальная интенсивность звука;
а — постоянная ослабления;
х — расстояние.
179
В большинстве технических материалов и сплавов ослабле-
ние мало, поэтому ультразвуковые волны могут проникать в ве-
щество на десятки сантиметров без значительных потерь энер-
гии.
Рассеяние ультразвуковых волн. Значительная доля энергии*
пучка ультразвуковых волн теряется в результате рассеяния.
Энергия ультразвуковых волн отражается или рассеивается от
упругих несплошностей на границах зерен. Количество рассеян-
ной энергии зависит от соотношения между длиной волны и сред-
ним диаметром зерен.
Файрстоун [5] предложил использовать ультразвуковые-коле-
бания для измерения среднего размера зерен в металлах. Ре-
зультаты его исследований приведены в табл. 31; в качестве об-
разца использовались блоки отожженной латуни. Размер зерен
с	Таблица 31
Результаты измерения величины
зерен
Температура отжига в °C	Средний раз - мер зерен, определенный микроскопиро- ванием, в мм	Количество зарегистриро- ванных после довательных отражений
477 571 663 732	0,01 0,03 0,075 0,105	16 13 6 3
Фиг. 104. Экспериментальная установка
для определения размера зерен:
1 — осциллоскоп, 2 — калиброванный усили-
тель, 3 — водяная ванна, 4 — приемный пре-
образователь, 5 — испытуемый образец, 6 —
излучающий преобразователь, 7 —импульсный.
генератор.
с помощью ультразвука измеряли также Уорлтон [6] и Гроссман
[7]. Схема экспериментальной установки Уорлтона показана на
фиг. 104. Опытные образцы (латунные цилиндры диаметром
38 мм), предварительно термически обрабатывали для полу-
чения зерна со средним диаметром от 0,025 до 0,15 мм. Затем
через воду и образцы пропускали импульсные ультразвуковые*
волны, которые фиксировались на экране осциллографа. Энер-
гия теряется в связующей среде (воде), на линии раздела ла-
тунь— вода и в образце, причем потери в воде и на линии раз-
дела являются постоянными. Следовательно, любое изменение
воспринимаемых импульсов обусловлено потерями в образце.
Амплитуду импульсов измеряли с помощью калиброванного уси-
лителя. При вынутом образце для воспроизведения заданного
импульса на приемном устройстве требуется некоторое допол-
нительное усиление Ал, при вставленном образце—несколько5
большее усиление G2, Отношение G2/Gi для различных образ-
цов и частот приведено на фиг. 105. Из графика видно, что
180
ослабление увеличивается с возрастанием размера зерен; при
высоких частотах ослабление изменяется пропорционально чет-
вертой степени частоты. Семейство кривых, показанных на
фиг. 105, можно преобразовать в одну кривую (фиг. 106). На
этом графике отношение G^G^ представлено в функции отноше-
ния длины А ультразвуковой волны к среднему диаметру D зе-
рен. Ослабление фактически постоянно при отношениях ЦОГ
Фиг. 105. Поглощение ультразвуко-
вых волн в зависимости от частоты
колебаний и среднего диаметра зе-
рен для латуни.
Фиг 106. Кривая поглощения
ультразвуковых волн для латуни.
больших 30, и резко возрастает при отношениях ЦО, меньших 6\
На основании этой кривой может быть выведено следующее эм-
пирическое уравнение:
4 9
D = -^- мм,	(8.13)
где N — отношение I/O;
/ — частота колебаний в Мгц.
Кривая, показанная на фиг. 106, применима для образцов,
описанных выше.
Гроссман использовал для определения влияния размера зерен
на рассеяние ультразвуковых волн катаные прутки из альфа-ме-
ди известной композиции и структуры; образцы имели сред-
ний размер зерен от 0,015 до 0,150 мм. Для исследования при-
менялся рефлектоскоп Сперри при частотах 2,25, 5 и 10 Мгц. Ис-
следование проводилось как по теневому методу, так и по мето-
ду отражения; при этом никакого различия в полученных ре-
зультатах не наблюдалось.
181
Гроссман применил две разновидности метода отражения; в
одном случае измерялась высота первого отраженного импуль-
са, в другом подсчитывалось число обратных импульсов при не-
которой постоянной чувствительности рефлектоскопа. На
•Размер
зерна 2,25 Мгц 5Нгц
Фиг. 107. Амплитуда отраженного
импульса в зависимости от раз-
мера зерна (в мм).
Фиг. 108. Количество отраженных
импульсов в зависимости от раз-
мера зерна (в мм).
фиг. 107 показано изменение амплитуды отраженного импульса
в зависимости от размера зерен, а на фиг. 108 — изменение чи-
сла отраженных импульсов в зависимости от этого же парамет-
ра. На фиг. 109 приведен график количества отраженных импуль-
сов в функции отношения длины волны к размеру зерен.
На основании работы Гроссмана можно сделать следующий
вывод: при отношении длины волны к размеру зерен, большем 30,
в результате рассеяния теряется небольшая доля энергии; при
величинах этого отношения, меньших 10, потеря энергии, обус-
ловленная рассеянием, значительно возрастает.
Генерирование ультразвуковых волн. Существует большое
количество способов получения ультразвуковых колебаний. Од-
182
нако для испытаний материалов в основном используют пьезо-
электрический эффект. Сущность этого явления заключается в
том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на
их поверхности возникает электрический заряд, величина кото-
рого прямо пропорциональна усилию; знак электрического за-
ряда меняется при изменении направления усилия. Этим свойст-
вом обладают многие кристаллы, например турмалин, кварц,
Фиг. 109. Количество отраженных
импульсов в зависимости от от-
ношения длины волны к размеру
зерен (п— количество отражен-
ных импульсов).
Фиг. ПО.
Кварцевый
кристалл
Х-среза.
сегнетова соль и др. Существует также обратный пьзоэлектриче-
ский эффект, когда размеры кристалла изменяются при воздей-
ствии на него электрического поля.
Кварцевые кристаллы. Если кварцевую пластинку поместить
в переменное электрическое поле, кварц будет сжиматься в те-
чение одной половины цикла и расширяться в течение другой,
причем частота изменения размеров будет равна частоте при-
ложенного потенциала. Амплитуда колебаний будет максималь-
ной при частоте электрического поля, равной резонансной часто-
те кристалла. На фиг. ПО показана кварцевая пластинка, выре-
занная из кристалла кварца плоскостями, перпендикулярными к
оси X, которая носит название пластинки Х-среза. Пластинки,
вырезанные плоскостями, перпендикулярными к оси У, называ-
ются пластинками У-среза. Возможны два вида колебаний —
колебания в направлении оси X (поперечные колебания) и ко-
лебания в направлении оси У (продольные колебания). В дейст-
вительности такие кристаллы, как правило, колеблются не толь-
ко в одном направлении даже в том случае, если они специаль-
но предназначены для генерирования направленных колебаний.
Колебания пластинок Х-среза и У-среза схематически показа-
ны на фиг. 111. Кварцевые кристаллы можно изготовить так,
чтобы их колебания происходили при гармонических частотах,
кратных их основной частоте. Основная частота кристаллов
183
может быть очень высокой (до 50 Мгц), однако при таких ча-
стотах кварцевые пластинки очень тонки и легко повреждаются.
Фиг. 111. Колебания кварцевых кри-	X
сталлов X- и У-срезов:
•€2 — кристалл У-среза, б — кристалл Х-среза.
Фиг. 112. Эквивалентная
электрическая схема квар-
цевого преобразователя:
а — действительная схема, б —
упрощенная схема, / — заряд-
ник.
Фиг. 113. Генерация сдвиговых
волн с помощью кристалла У- сре-
за (стрелками показаны поверх-
ностные волны).
Основная частота колебаний кварцевого преобразователя вы-
числяется по формуле
Г v 45 500	го 1 л\
Г = —= —(8.14)
где v — линейная скорость колебаний пьезокристалла;
t— толщина кристалла в см.
Анализ работы пьезоэлектрического вибропреобразователя
как составной части электрического контура значительно упро-
щается, если кристалл и его электроды заменить эквивалентной
электрической схемой [8]. Эквивалентная схема состоит из ем-
кости, соединенной параллельно с активным, емкостным и ин-
дуктивным сопротивлениями, образующими последовательную
цепочку (фиг. 112). Для практического использования две излу-
чающие поверхности кварцевого преобразователя покрываются
металлическими электродами. Переменная разность потенциа-
.лов подается на электроды преобразователя от генератора высо-
кой частоты.
Кварцевый кристалл У-среза, как показано на фиг. ИЗ, ге-
нерирует сдвиговые волны, причем при наложении кристалла
У-среза на металл пучок сдвиговых волн распространяется в на-
правлении, нормальном к поверхности металла. Широко распро-
184
страненной методикой генерирования сдвиговых волн является
использование кристалла Х-среза и упругого клина. Подбирая
соответствующий угол клина, можно получить сдвиговые волны
в результате преобразования вида колебаний. Величина угла
вычисляется по уравнениям (8.10) и (8.11).
Преобразователи из титаната бария. В качестве преобразо-
вателя может быть также использован титанат бария, представ-
ляющий собой керамическое вещество. Титанат бария является
поликристаллом, и после поляризации в сильном электрическом
поле он приобретает свойства пьезоэлектрического материала.
На основе этого вещества можно изготовить преобразователи,
разнообразие форм которых практически неограничено. Такие-
преобразователи крайне устойчивы к воздействию влаги и рабо-
тоспособны вплоть до температуры 150 °C. Титанат бария имеет
меньшее полное сопротивление, чем кварц, поэтому для возбуж-
дения вибропреобразователя из титаната бария требуется со-
ответственно меньшее напряжение.
Преобразователи из сульфата лития. Сульфат лития также'
может быть использован для изготовления преобразователей.
Такие преобразователи имеют повышенную чувствительность и
более высокую разрешающую способность. Чувствительность их
в 15 раз превышает чувствительность кварцевых преобразова-
телей. Это дает возможность генерировать более кратковремен-
ные акустические импульсы, что в случае испытаний по методу
отраженного сигнала позволяет обнаруживать дефекты, распо-
ложенные ближе к поверхности.
Волны Рэлея. При распространении волн Рэлея амплитуда
перемещений частиц среды пересекает границу поверхности
твердого тела. Амплитуда этих перемещений значительно умень-
шается на глубине нескольких длин волн под поверхностью. Кро-
ме того, амплитуда волны уменьшается по мере ее распростра-
нения вдоль поверхности твердого материала. Скорость распро-
странения волн Рэлея зависит от плотности и упругих СВОЙСТВ:
среды и составляет некоторую долю скорости распространения
сдвиговых волн; величина коэффициента К может быть полу-
чена из уравнения (8.5). Для различных материалов скорость,
распространения волн Рэлея имеет следующее значение:
Материал..................... Al Be Латунь Си Mg Сталь РЬ
v-lO-s см/сек................ 2,80 7,87 1,93 1,93 2,74 2,80 0,58
Для других материалов, не приведенных в этой таблице, ско-
рость волн Рэлея может быть вычислена по фиг. 114 [9], где пред-
ставлена зависимость отношения поверхностной скорости к по-
перечной в функции от коэффициента Пуассона. В работе Берг-
манна [10] приведена приближенная форма уравнения (8.5):
(8.15)
VT	1 + а
185
При распространении волн Рэлея частицы перемещаются по
эллиптической орбите; большая ось эллипса перпендикулярна
поверхности, вдоль которой происходит распространение волны,
а)
5)
Фиг. 114. Отношение скоростей распространения в зависи-
мости от величины коэффициента Пуассона:
а — поверхностных и поперечных, б — поверхностных и продольных.
а меньшая ось параллельна направлению распространения. Ве-
личины этих осей определяются по следующим формулам:
186
где и —перемещение, параллельное направлению распростра-
нения;
v — перемещение, перпендикулярное направлению распро-
странения;
vL — продольная скорость;
vT — поперечная скорость;
vR — поверхностная скорость;
х — координата, измеряемая в направлении распростране-
ния;
у — глубина под поверхностью твердого тела;
со = 2л/ (f — частота);
К — длина волны.
Например, при 0=74 и глубине у, соответствующей 0,193 Д
перемещения параллельно поверхности не происходит. При боль-
шей глубине амплитуда колебаний, параллельных поверхности,
снова становится конечной величиной. Однако при этом возни-
кающие колебания имеют обратную фазу. Конечной глубины,
на которой исчезает перемещение, нормальное к поверхности, не
существует.
По мере увеличения расстояния от поверхности амплитуда
колебаний возрастает до некоторого максимального значения
(при глубине, равной 0,076 Z) и затем монотонно убывает. На
глубине, равной длине волны, амплитуда уменьшается до 0,19
своего значения на поверхности.
Ослабление волн Рэлея. Кук и Ван Валькенбург i[l 1] исследо-
вали зависимость ослабления поверхностных волн от расстояния
под поверхностью. Исследование проводилось при частоте
2,25 Мгц.
Опытный образец (фиг. 115) представлял собой алюминие-
вый блок, в котором было просверлено семь отверстий диа-
метром 0,45 мм и глубиной 6,35 мм. Расстояние отверстий до по-
верхности образца было различным — от 0,48 до 2,3 мм. Резуль-
таты исследований, проведенных с помощью рефлектоскопа, по-
казаны на фиг. Иби 117; данные, приведенные нафиг. 117, отно-
сятся к экспериментам при частотах от 1,0 до 2,25 Мгц и поли-
рованной алюминиевой поверхности. Так как в этом случае
использовался метод отражения, расстояния, указанные на оси
абсцисс, надо умножить на 2. Исследуемая поверхность должна
быть очищена от грязи, смазки и т. д., так как эти вещества глу-
шат или поглощают звуковые волны, а в некоторых случаях вы-
зывают отражение волнового пучка.
Генерирование волн Рэлея. Для получения волн Рэлея Файр-
стоун [12] предложил использовать кварцевые кристаллы У-сре-
за. Кристалл У-среза, у которого отношение ширины к толщине
составляет приблизительно 7:1 (фиг. 118), будет генерировать
. 187
поверхностную волну с малой амплитудой. Эта поверхностная
волна будет распространяться в обоих X направлениях при ши-
рине зоны колебаний, равной размеру по оси Z. Источником по-
верхностных волн может также служить кварцевый кристалл
Фиг. 115, Опытный обра-
зец для изучения поверх-
ностных волн.
Фиг. 116. Результаты исследова-
ний, проведенных на образце по
фиг. 115.
Х-среза, прижатый к острому углу испытуемого образца и обра-
зующий с его поверхностью угол 45°; в этом случае волны рас-
пространяются по обе стороны от угла. Поверхностные волны,
Фиг. 117. Ослабление поверхностных
волн на алюминии.
образуемые с помощью этих двух методов, являются слабыми.
В генераторе поверхностных волн третьего типа образование по-
верхностных волн основано на преобразовании вида колебаний
и преломлении.
188
Кварцевый кристалл Х-среза помещается на поверхности
клина, как показано на фиг. 119. Угол клина выбирается таким,
чтобы угол преломления Or составлял 90°; величина угла кли-
на 9? вычисляется из уравнения
sin 6.	vL
sin 0r	v#
(8.18)
откуда
6, = arc sin — .
При использовании упругого клина, имеющего необходимый
угол, поверхностные волны будут распространяться в требуемом
направлении.
Фиг. 118. Методы получения поверхност-
ных волн:
/—преобразователь (кристалл Х-среза), 2—
преобразователь (кристалл Г-среза), 3 — уп-
ругий клин, 4 — поверхностный дефект.
Фиг. 119. Получение поверхност-
ных волн с помощью клина:
1 — клин, 2 — кристалл Х-среза.
Волны Лэмба. Волны Лэмба образуются при распростране-
нии ультразвуковых колебаний вдоль изделия, толщина которого
'Сравнима с длиной волны. Теоретическое обоснование образова-
ния таких волн и их математическая формула были разработа-
ны проф. Горасом Лэмбом в 1917 г. [13]. Анализ, проведенный
.Лэмбом, показал, что в пластине может распространяться бес-
конечное число волн самых разнообразных видов. Лэмб разли-
чал два основных типа волн: симметричные и асимметричные, в
зависимости от симметричного или асимметричного движения
частиц относительно срединной плоскости изделия. Каждый из
этих типов волн подразделяется на волны первого, второго,
третьего и т. д. видов. Различные типы и виды волн Лэмба пока-
заны на фиг. 120; стрелка указывает направление распростра-
нения этих волн. Круговые и эллиптические фигуры показывают
’перемещения в сечениях пластин, по которым распространяются
гволны Лэмба; каждое сечение образовано плоскостью, перпенди-
189
кулярной к основной поверхности пластины, причем эта пло-
скость включает направление распространения волны.
На фиг. 121 и 122 показаны графики фазовых скоростей раз-
личных видов волн Лэмба обоих типов в алюминии. Фазовой ско-
ростью (отложена по оси ординат) называется скорость распро-
странения вдоль листа отдельных волн Лэмба. Соотношение
между фазовой и групповой скоростями находится путем прове-
дения касательной к кривой при заданном отношении длины вол-
ны к толщине листа. Точка пересечения касательной с ординатой
определяет групповую скорость. Для колебаний высокой часто-
ты фазовая и групповая скорости равны. Скорость первого вида
волн как симметричного, ^так и асимметричного типа прибли-
жается к скорости поверхностной волны. Для волн более высо-
кого порядка обоих типов скорость распространения прибли-
жается к скорости сдвиговых волн. Скорость распространения
волн Лэмба зависит от отношения длины волны к толщине*
материала или, что то же самое, от произведения частоты ко-
лебаний на толщину материала.
Генерирование волн Лэмба. Генерирование волн Лэмба в
тонких листах можно осуществить при помощи кварцевого кри-
сталла У-среза, размер которого по оси X в несколько раз пре-
вышает его толщину. Такой кристалл будет генерировать волно-
вую полосу в обоих направлениях по оси X, причем ширина
полосы будет равна размеру по оси Z кристалла. В этом случае
волны Лэмба представляют собой набор колебаний различных
видов и типов.
Файрстоун [12] описывает способ генерирования волн
Лэмба с помощью продольных волн. Продольные волны соответ-
ствующей скорости и частоты падают на поверхность листа под
определенным углом. Величина необходимого угла падения 0?.
определяется из выражения
где вр — фазовая скорость волн Лэмба;
vL — скорость распространения падающей продольной вол-
ны.
Для волны Лэмба первого вида симметричного типа при
= 2,54-105 см!сек фазовая скорость (см. фиг. 120) состав-
ляет 355 000 см!сек. Тогда при vL— 145 000 см!сек (связующая
среда — вода) синус угла падения составит
. с	145 000
SID 6; = ---------
1	355 000
= 0,407,
откуда
6. = 24°.
190
Фиг. 120. Типы и виды волн Лэмба:
а — симметричный тип, первый вид, б — асим-
метричный тип, первый вид, в — симметрич-
ный тип, второй вид. г — асимметричный тип,
второй вид, д — симметричный тип, третий
вид, е — ассиметричный тип, третий вид.
Фиг. 121. Фазовая скорость иР в зависимости ог
произведения частоты ультразвуковых колебаний
и толщины пластины (симметричный тип поверх-
ностных волн):
I — скорость продольных волн, // — скорость сдвиговых
волн, /// — скорость поверхностных волн, 1—6 — виды
волн Лэмба.
191
В табл. 32 приведены тип и вид образующихся волн Лэмба
при различных углах падения.
При распространении волн Лэмба в листах могут наблюдать-
ся явления типа эхо. Файрстоун [12] наблюдал следующие волны
Лэмба: симметричные первого вида, асимметричные первого ви-
да и симметричные третьего вида, имеющие групповые скорости
Фиг. 122. Фазовая скорость vP в зависимости от
произведения частоты ультразвуковых колебаний
и толщины пластины (асимметричный тип поверх-
ностных волн):
I — скорость продольных волн, // — скорость сдвиговых
волн, Ill — скорость поверхностных волн, 1—6 — виды
волн Лэмба.
около 280 000, 280 000 и 395000 см/сек. При отражении волн Лэм-
ба от кромки часть их энергии может преобразовываться в коле-
бания другого вида или типа.
Таблица 32
Типы и виды волн Лэмба при различных углах падения
Тип волн	Вид	“р-10-5 с м/сек	0. i
Асимметричный	Первый	2,67	33
Симметричный	»	2,80	31
Асимметричный	Второй	3,43	25
Симметричный	»	5,34	16
Симметричный	Третий	7,86	10,6
Асимметричный	»	8,50	9,8
Техника проведения испытаний. При проведении ультразву-
ковых испытаний применяются следующие,- методы: .метод
192
импульсного отражения, метод пропускания (теневой метод),
резонансный метод, метод частотной модуляции и метод акусти-
ческого изображения.
Метод импульсного отражения. При испытании по методу им-
пульсного отражения в изделие через связующую среду вводится
направленный импульс ультразвуковых колебаний. Пучок ульт-
развуковых волн отражается от противоположной поверхности
изделий и отраженный сигнал («эхо»-сигнал, или донный им-
пульс) воспринимается преобразователем (фиг. 123). Излучаю-
щий преобразователь можно одновременно использовать в каче-
Фиг. 123. Метод импульс-
ного отражения:
1 — начальный импульс, 2 —
временной интервал, 3 —
импульс от дефекта, 4—дон-
ный импульс, 5 — много-
кратно отраженные импуль-
сы.
стве приемника сигналов. Нали-
чие в изделии несплошности или
дефекта также вызовет возникно-
вение отраженного сигнала. Ин-
тервал между вводом в изделие
начального импульса и приемом
отраженного сигнала измеряется
катодным осциллоскопом. Об
очертаниях дефекта можно су-
дить на основании относительного
положения и амплитуды отра-
женного от него импульса. Разре-
I ш
Фиг 124. Метод углово-
го отражения импульса.
тающая способность метода зависит от продолжительности
ультразвуковых импульсов. Чем кратковременее импульс, тем
тоньше изделие, которое может быть надежно проконтролиро-
вано.
Видоизменением этого метода является метод углового
отражения импульса или метод сдвиговых волн (фиг. 124). Ме-
тод сдвиговых волн используется в основном для контроля тон-
ких материалов.
Волновой импульс вводится в изделие под некоторым углом
и распространяется по зигзагообразной траектории между верх-
ней и нижней поверхностями листа. Так же, как и в предыдущем
случае отражение начального импульса обусловлено дефектом
и кромкой листа.
Метод пропускания. Метод пропускания требует разделения
излучающего и воспринимающего преобразователей. По этому
методу через контролируемое изделие пропускается постоян-
7 Испытания без разрушения	193
/
Фиг. 125. Ультра-
звуковой контроль
по методу пропу-
скания:
1 — излучатель, 2 —
приемник.
ный или модулированный импульс ультразвуковых волн, и за-
тем измеряется амплитуда прошедших через изделие колебаний.
Наличие несплошностей в изделии уменьшает амплитуду про-
шедших через изделие колебаний вследствие отражения или рас-
сеяния звуковой энергии. Принцип контроля по методу пропус-
кания показан на фиг. 125.
Резонансный метод. При ультразвуковом контроле по этому
методу для возбуждения преобразователя используется настраи-
ваемый волновой генератор переменной частоты. Если изделие
имеет толщину, соответствующую резонансным частотам в пре-
делах диапазона настройки генератора, то в
момент прохождения этих частот при настрой-
ке генератора изделие будет вибрировать в
резонанс с генератором, что приводит к уве-
личению энергии, выделяемой на преобразова-
теле. Это увеличение энергии можно измерить
с помощью осциллоскопа. Резонанс при по-
добных испытаниях наступает в том случае,
если толщина изделия равна целому числу
полуволн ультразвуковой волны.
Метод частотной модуляции. При испыта-
ниях по методу частотной модуляции [14] ис-
пользуется только один преобразователь, но
ультразвуковая энергия излучается и воспри-
нимается непрерывно. Сигнал, подаваемый на
преобразователь, резко изменяется по частоте.
Мгновенная частота отраженного сигнала, по-
ступающего после посылки прямого импульса,
будет отличаться от частоты сигнала тем
больше, чем больше глубина дефекта. Измеренная разность ча-
стот определяет глубину залегания дефекта. Так как энергия
подается непрерывно, проблема передачи больших мощностей в
короткие промежутки времени исключается.
Системы создания акустического изображения. Для полу-
чения визуального или оптического эквивалента картины состоя-
ния изделия было предложено большое количество методов; эти
методы включают использование химических эффектов, диф-
фракции света, ориентации сферических частиц, применение тер-
мочувствительных составов, фосфоров и специальных электрон-
ных ламп. На фиг. 126 показана система акустического изобра-
жения, разработанная Польманом [15]. Ультразвуковая волна
проходит через изделие и фокусируется на детекторной камере,
где и формируется изображение. Камера заполнена жидкостью,
обладающей большой вязкостью, в которой взвешены хлопьевид-
ные алюминиевые частицы размером от 5 до 25 мк. Если ультра-
звуковое излучение отсутствует, то частицы находятся в неупоря-
доченном, хаотическом состоянии, что является результатом теп-
ловых перемещений.
194
Ориентация частиц происходит в поле пучка ультразвуко-
вых волн. Частицы, ориентированные перпендикулярно падаю-
щему пучку лучей, отражают свет в большей степени и кажут-
ся светлыми; беспорядочно ориентированные частицы отражают
крайне мало световых лучей и являются темным фоном.
Степень ориентации зависит от интенсивности ультразвуко-
вого пучка в данной точке теневого изображения. Следователь-
но, изменение интенсивности отраженного света определяет ко-
личество ультразвуковой энергии, прошедшей через исследуемое
изделие. Дефектам в этом случае соответствуют темные участки
Фиг. 126. Система Польмана для образования акустического.
, изображения:
1 — ультразвуковой генератор, 2 — ультразвуковой пучок, 3 — соляной
раствор, 4 — двояковогнутая пластмассовая линза, 5 — детектор.
изображения. Такой детектор имеет ограниченную чувствитель-
ность и сравнительно большую инерционность, так как ориенти-
рование частиц происходит в течение нескольких секунд.
Существуют также другие методы получения акустического
изображения. Руст, Хауль и Штудт [16] использовали для этой
цели раствор крахмала и йодистого калия. Ультразвуковые вол-
ны высвобождают йод, в результате чего раствор приобретает
синюю окраску. Эрнст и Гоффман [17] и Руст [18] предложили
использовать вещества, цвет которых меняется при температур-
ном воздействии, что позволило бы получать акустическое изоб-
ражение, основанное на тепловых эффектах ультразвукового
пучка. Этими авторами предложен целый ряд веществ, облада
ющих желаемыми свойствами. Шустер [19] описывает метод,
в соответствии с которым ультразвуковое изображение проекти-
руется вертикально на поверхность жидкости; деформированная
в результате этого поверхность жидкости наблюдается с помо-
щью оптических средств. Маринеско [20] указывает, что интенсив-
ные ультразвуковые колебания вызывают возникновение изобра-
жения на фотографической пластинке, опущенной в воду. Беннет
[21] показал, что ультразвуковые волны оказывают непосредст-
венное воздействие на фотографические эмульсии. Шрайбер и
Дегнер [22] наблюдали прекращение фосфоресценции под воз-
действием ультразвуковых волн. На фиг. 127 и 128 показана си-
7*	195
стема для получения акустического изображения, запатентован-
ная Соколовым [23]. В этой системе для преобразования ультра-
звукового изображения в электронное была использована пьезо-
электрическая пластинка. Электронное изображение затем ска-
нировалось электронным лучом и переводилось в оптическое
изображение на катодно-лучевой трубке. В 1950 г. Соколов [24]
описал ультразвуковой микроскоп, в котором использован этот
метод преобразования изображения. Система преобразования
звук-изображение была описана в патенте, выданном Диммику
[25]. Ультразвуковые волны фокусируются на мозаику из преоб-
разователей, каждый из которых преобразует ультразвуковые
Фиг. 127. Система образования акустического изображения по Соколову:
1 — вибропреобразователь, 2 — дефект, 3 — световой экран, 4 — двигатель, 5 —
усилитель, 6 — осциллятор.
колебания в данной точке в дискретный электрический сигнал.
Сканирующее устройство последовательно подсоединяет каж-
дый преобразователь через выпрямитель и усилитель к управ-
ляющей сетке кинескопа.
Обширные исследования методов преобразования изображе-
ния были проведены в Лаборатории Морского Ведомства США.
В качестве пьезоэлектрического чувствительного элемента был
использован титанат бария.
Трубка, разработанная в процессе этих исследований, состо-
ит из двух частей. В первой части ультразвуковое изображение
преобразуется в электронное. Между жидкой связующей средой
и преобразователем из титаната бария располагается промежу-
точная металлическая пластинка. Эта металлическая пластинка
составляет часть вакуумной камеры, служит опорой для хруп-
196
кого преобразователя и придает системе большую согласован-
ность импедансов. В другой части трубки располагается скани-
рующее электронное устройство-.
Дефектоскоп Файрстоуна. В 1942 г. Файрстоун [26] запатен-
товал «прибор для обнаружения и измерения дефектов»
(фиг. 129). Принцип действия этого прибора состоит в следую-
щем: механические вибрации от преобразователя передаются на
изделие, причем часть ультразвуковых волн падает на дефект,
затем отраженный сигнал от дефекта передается на преобразо-
ватель, а остальные волны доходят до противоположного конца
Фиг. 128. Система образования акустиче-
ского изображения по Соколову:
1 — вибропреобразователь, 2 — дефект, 3 — осцил-
лятор.
изделия и отражаются. На фиг. 129 показаны также форма кри-
вой, фиксируемой на экране осциллоскопа.
Индикация начального импульса осуществляется подачей на
осциллоскоп электрического сигнала от счетчика времени. Ко-
лебания, отраженные ют дефекта и от противоположной стороны
изделия, воспринимаются преобразователем. Отраженная энер-
гия преобразуется в электрические импульсы, фиксируемые на
экране осциллоскопа в виде отдельных пиков, смещенных отно-
сительно пика начального сигнала. Положение сигнала, соответ-
ствующего отражению от дефекта, относительно начального и
«донного» сигналов, определяет положение дефекта в изделии.
Высота дефектного пика дает возможность оценить размер де-
фекта.
Блок-схема прибора Файрстоуна показана на фиг. 130. От-
метка времени осуществляется синхронизатором, посылающим
сигналы времени на импульсный генератор, генератор развертки
197
и генератор-маркировщик. Из этого следует, что развертка
на электронно-лучевой трубке начинается в момент подачи им-
пульса с преобразователя. В качестве синхронизатора использо-
ван мультивибратор. Более подробные сведения о работе муль-
тивибратора можно найти в работе [27]. Меняя расчетные пара-
метру,, можно обеспечить
различные частоты колеба-
ний. Импульсный генератор
генерирует импульс высо-
кой частоты, который под-
водится к искательному
Фиг. 130. Блок-схема рефлектоскопа:
1 — внешняя сигнализация, 2 — система
сигнализации, 3 — кабельный селектор,
4 — коаксиальный кабель. 5 — искательная
головка, 6 — исследуемый материал, 7 —
Фиг. 129. Прибор Файрстоуна для
обнаружения и измерения дефек-
тов:
1 — импульсный генератор, 2 — высоко-
частотный генератор, 3 — модулятор,
4 — излучатель, 5 — приемник, 6 — уси-
читель, 7 — выпрямитель, 8 — линейная
развертка, 9 — осциллоскоп.
усилитель высокочастотного отраженного
импульса, 8 — двухточечный селектор, 9 —
импульсник, 10 — видеоусилитель, 11 — шу-
мовой генератор, 12 — синхронизатор, 13 —
автоматическая задержка развертки, 14 —
переключатель индикации, 15 — задержка
В; /6 — ручная задержка развертки, 17 —
масштабный маркировщик, 18 — переклю-
чатель развертки, 19— генератор развертки,
20 — ступенчатый маркировщик, 21 — элек-
тропитание.
прибору. Преобразователь в результате ударного возбуждения
генерирует серию волн в течение нескольких микросекунд.
На фиг. 131 показана схема генератора импульсов ударного
возбуждения. Конденсатор С\ заряжается до заданного напря-
жения через высокое сопротивление. Переменный конденсатор
С2 и индуктивность L соединены в параллельный резонансный
контур. Преобразователь подключается через параллельный кон-
тур. Когда на тиратронную трубку 7\ поступает положительный
пусковой импульс, она становится проводимой и фактически
закорачивает конденсатор Сь В результате конденсатор Ci раз-
ряжается через параллельный резонансный контур, вызывая воз-
198
никновение серии затухающих свободных колебаний. Частота
этих колебаний определяется величинами L и С2. Сопротивле-
ние, включенное параллельно L и С2, дает возможность регули-
ровать длительность импульса.
При ударном возбуждении
преобразователь колеблется с
присущей ему частотой. Часто-
та, при которой генерируются
волновые серии, зависит от
частоты синхронизатора. Пос-
ле возбуждения серии волн
преобразователь в течение
долгого периода времени ос-
тается неактивным и работа-
ет как приемник. Отраженные
импульсы, ' воспринимаемые
преобразователем, преобразу-
Фиг. 131. Генератор импульсов удар-
ного возбуждения.
ются в электрические сигналы, которые усиливаются и подаются
на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Для
возможно более точного определения местонахождения дефек-
тов необходимо на развертке иметь временную шкалу. Генера-
тор-маркировщик является отметчиком времени, создающим
квадратные волны (маркерные импульсы), которые наклады-
ваются на кривую развертки как вертикальные отклонения.
Английской фирмой Хьюз разработан другой вариант ульт-
развукового дефектоскопа, в основу которого также положе?
принцип отражения, но при этом используются два преобразова-
теля. Излучающий преобразователь устанавливается на клине,
с помощью которого в изделие вводится пучок ультразвуковых
волн. Приемный преобразователь также размещают на анало-
гичном клине для того, чтобы сделать его чувствительным к
импульсам, отраженным от той же зоны внутри изделия, на
которую настроен излучающий преобразователь. Блок-схема
такого прибора показана на фиг. 132.
Прозвучивание по методу пропускания. Первоначально конт-
роль осуществлялся с помощью незатухающих волн, излучаемых
одним преобразователем; после прохождения через изделие эти
волны воспринимались преобразователем, причем дефекты сни-
жали интенсивность прошедшего излучения. Однако использова-
ние незатухающих колебаний часто влекло за собой образование
стоячих волн в изделии или окружающей среде. В результате
этого количество прошедшей энергии часто определялось боль-
ше стоячими волнами, чем дефектами в изделии. Уравнение (8.9)
показывает, что количество энергии, прошедшей через изделие,
зависит от его толщины. При частотах, используемых для ульт-
развукового контроля, длина волны в большинстве материалов
составляет всего несколько тысячных сантиметра. Поэтому в тех
случаях, когда толщина изделия меняется лишь на несколько
199
тысячных сантиметра, количество прошедшей энергии можег
изменяться в широких пределах. Влияние стоячих волн было
устранено путем модуляции
1
или «качания» генератора постоян-
ной частоты. Однако более про-
стым способом является исполь-
зование импульсного ультразву-
кового пучка.
Эрвуин [28] описывает систе-
му ультразвукового контроля, ос-
нованную на принципе пропуска-
ния, в которой предусмотрены
меры по предотвращению пере-
грузки приемного преобразова-
теля.
Система, использующая высо-
кочастотный генератор колеба-
ний с качанием частоты, описана
Шубрингом [29]. Изделие поме-
щали в бак с водой, по обеим
сторонам которого устанавлива-
ли излучающий и приемный пре-
образователи. Электрический сиг-
нал от приемного преобразовате-
ля усиливался, выпрямлялся и
подавался на регистрирующий
прибор; последовательно с при-
бором было включено реле. Реле
могло быть настроено на любую
заранее заданную амплитуду
прошедшей энергии и выполняло
таким образом роль триггерного
устройства.
Крауткрамер и Рудигер [30] описывают прибор для контроля
изделий малой толщины до 2,5 мм. Сигнал на выходе импульс-
ного генератора модулировался шумовым напряжением, в ре-
зультате чего на выходе создавались хаотические колебания.
Авторы сообщают, что такое устройство дало возможность обна->
руживать трещины, усадочные дефекты и поры в керамических”
режущих пластинках.
Прозвучивание по методу резонанса. Для обнаружения
внутренних дефектов может быть также использован резонанс-
ный метод. В этом случае обнаружение дефектов осуществляет-
ся проще, чем измерение толщины, так как необходимо регист-
рировать лишь наличие или отсутствие отраженных от дефекта
сигналов. Этот метод можно применить для контроля изделий,
противоположные стороны которых являются гладкими и парал-
лельными, таких как плиты, листы, трубы, брусья или стержни
с обработанными концами; этот метод можно применять и для
200
Фиг. 132. Ультразвуковой дефек-
тоскоп фирмы Хьюз:
/ — усилитель, 2 — электронно-лучевая
трубка. 3 — прошедший импульс, 4 —
отраженный импульс, 5 — донный им-
пульс, 6 — развертывающее устройство,
7 — излучатель, 8 — испытуемое изде-
лие, 2 — приемник, /0 — возбудитель
излучателя.
контроля цилиндров диаметром от 12 до 900 мм и сферических
деталей.
Если при наложении преобразователя на одну из сторон из-
делия возникают резонансные импульсы, соответствующие его
толщине, то часть изделия, расположенная под пьезокристал-
лом, признается доброкачественной, т. е. не содержащей пустот,
раковин или пор, охватывающих значительную долю площади
под преобразователем. Если же в этой зоне имеются дефекты,
не параллельные поверхности, то донные сигналы будут в зна-
чительной мере ослаблены, либо полностью исчезнут.
Методика контроля по этому способу заключается в переме-
щении преобразователя над изделием и регистрации сущест-
венных изменений величины резонансных пиков (фиг. 133) . При
перемещении пьезокристалла над доброкачественным сечением
стального блока на экране осциллоскопа возникает большое чис-
ло гармонических пиков (фиг. 133, а). Когда преобразователь
находится над щелью, пропиленной не параллельно поверхности
блока, донные импульсы на экране исчезают (фиг. 133,6). На
фиг. 133, в показан случай, когда дефект расположен парал-
лельно поверхности блока. Если дефект мал, то его влияние на
форму и величину донных импульсов будет небольшим; однако,
если ширина дефекта велика по сравнению с размером кристал-
ла, то резонансные пики могут существенно уменьшиться.
Другой вид резонансного метода позволяет определять ме-
стонахождение и глубину плоских дефектов, перпендикулярных
поверхности изделия, контактирующей с преобразователем.
В этом случае металл между дефектом и кристаллом может
вибрировать со своей резонансной частотой. Резонансные пики,
соответствующие полной толщине детали, не возникают, что
указывает на наличие дефекта. Глубину дефекта можно опре-
делить на основании показаний прибора. Описанный эффект
проиллюстрирован на фиг. 134. Когда преобразователь переме-
щается над пропилами, характер гармонической кривой меня-
ется. При углублении пропилов резонансные пики еще более
сглаживаются вследствие уменьшения толщины резонирующего
слоя. Метод применяется для контроля деталей, противополож-
ные поверхности которых непараллельны; в случае отсутствия
дефекта, параллельного поверхности контакта, донные импульсы
вообще не наблюдаются.
. Следует подчеркнуть, что дефекты, не параллельные контакт-
ной поверхности, при этом не обнаруживаются. Так как в общем
случае дефекты не параллельны поверхности контакта, то отри-
цательные результаты при контроле по этому методу не гаран-
тируют отсутствия дефектов.
Резонансным методом могут быть выявлены расслои, усадоч-
ные раковины, пористость и трещины; этот метод позволяет об-
наружить даже межкристаллитные трещины и некоторые кар-
бидные включения.
201
Кроме контроля сплошных деталей, резонансный метод при-
меняется для контроля некоторых видов сцеплений. Обнаружить
плохое сцепление между поверхностями можно в том случае,
когда существует область четко
Фиг. 133. Резонансный
метод ультразвукового
контроля; плоскость де-
фекта примерно парал-
лельна поверхности из-
делия.
Фиг. 134. Резонансный
метод ультразвукового
контроля; плоскость де-
фекта перпендикулярна
поверхности изделия.
риала. Типичным случаем применения этого метода является
исследование металлического листа, напаянного с помощью
твердого припоя на другую деталь, например на кромки и реб-
ро лопасти пропеллера.
Другим случаем является исследование сцепления между
серебряногс прокладкой и вкладышем подшипника, к которому
она припаивается. Стержни, сваренные встык, можно проконт-
ролировать в том случае, если их торцовые поверхности перпен-
дикулярны оси.
Резонансный метод используется также для контроля сцеп-
ления между листовым металлом и резиной: при хорошем сцеп-
лении донный импульс отсутствует или мал вследствие демпфи-
рующего действия резинового покрытия; при отсутствии сцепле-
ния возникает отраженный импульс. Гринберг [31] использовал
метод ультразвукового резонанса для проверки качества напа-
янных контактов прерывателей электрической цепи. Он обнару'
жил хорошее совпадение между результатами ультразвуковых и
разрушающих испытаний.
202
Резонансный метод успешно использовался для исследова-
ния коррозии. Ивенс [32] описывает использование ультразву-
кового дефектоскопа для измерения коррозионного износа и
оценки системы коррозионного контроля судовых переборок.
Факторами, которые иногда делают невозможным примене-
ние метода ультразвукового резонанса, являются вид материала,
•слишком большое изменение толщины материала в пределах
площади контакта пьезокристалла с изделием и плотно пристав-
ший слой окалины.
Измерение толщины по резонансному методу. Резонанс насту-
пает каждый раз, когда толщина материала равняется целому
числу полуволн ультразвуковой волны.
В стоячей волне в местах, куда падающая и отраженная
волна ультразвука подходят в противофазе, точки все время
остаются в покое, образуются неподвижные узлы колебания
Точки, лежащие на середине расстояний между узлами, назы-
ваются пучностями. Расстояние между двумя соседними узла-
ми составляет половину длины волны. При контроле по резо-
нансному методу преобразователь и противоположная сторона
изделия всегда находятся в узловых точках. Используя выра-
жение v — fk, легко написать формулу для вычисления основной
частоты, при которой возникает явление резонанса
A = f =	(8-20)
Л £1
где /1 — частота;
v — скорость звука для данного материала;
t — толщина материала.
Резонанс по толщине наступает также при частотах, крат-
ных основной частоте, т. е.
/2=f;	=	= <	, (8-21)
Разность частот между двумя соседними гармониками рав-
на основной частоте. Если известна основная частота, то можно
найти толщину материала
/ v — v
~~
Приборы, основанные на принципе резонанса. Одним из та-
ких приборов является ультразвуковой толщиномер «Sonigage».
Принципиальная схема прибора показана на фиг. 135. Он со-
•стоит из самовозбуждающегося генератора переменной частоты
и миллиамперметра постоянного тока, включенного в анодную
цепь. Генератор генерирует переменное напряжение, которое
подводится к преобразователю. Когда генератор настраивается
203
(8.22)
на резонансную частоту, анодный ток генератора возрастает,
что регистрируется миллиамперметром.
При резонансе увеличивается также амплитуда колебаний в
Фиг. 135. Блок-схема резонансного уль-
тразвукового дефектоскопа «Sonigage»:
] — генераторная лампа, 2 — емкость (пере-
менная), 3 — индуктор, 4 — вибропреобразова-
тель, 5 — металлическая пластина, 6 — инди-
катор.
изделии, на котором раз-
мещен преобразователь.
В результате повышается
количество рассеянной
энергии, что, в свою оче-
редь, вызывает увеличе-
ние анодного тока в цепи
генератора. Эти мгновен-
ные возрастания энергии
после умножения и вы-
прямления проявляются
в виде звуковых сигна-
лов, воспринимаемых че-
рез наушники, и скачков
тока, фиксируемых на
выходном приборе. Схема
ультразвукового толщи-
номера, который в подобном варианте называется «Audigage»,
показана на фиг. 136.
Фиг. 136. Принципиальная схема резонансного ультразвукового дефекто-
скопа «Audigage»:
Существуют также промышленные приборы, в которых уси-
ленные резонансные сигналы подаются на вход электронно-луче-
вой трубки. Точки на горизонтальной оси экрана соответствуют
204
частотам тех колебаний, которые вводятся в изделие через пре-
образователь. Приборы этого вида градуируются так, чтобы
толщина материала могла быть считана непосредственно с экра-
на осциллоскопа. В приборе «Vidigage» вместо конденсатора с
Фиг. 137. Блок-схема резо-
нансного ультразвукового
дефектоскопа «Vidigage»:
1 — сменные шкалы, 2 — прием-
ная трубка, 3 — усилитель, 4 —
генератор развертки, 5 — гене-
ратор, 6—вибропреобразователь,
7 — металлическая пластина.
механическим приводом использует-
ся электрически регулируемый ин-
дуктор, работающий по принципу
катушки с насыщающимся сердеч-
ником. Блок-схема прибора показа-
на на фиг. 137. Для получения мак-
симальной длины шкалы исполь-
зуется электронная трубка больших
размеров; шкала длиной 43 см
охватывает диапазон толщин в
1 мм.
П реббразователи, используемые
в резонансных приборах. Преобра-
зователь является важнейшей
частью всей резонансной системы,
так как он преобразует электриче-
скую энергию в механическую. Кри-
сталлы, используемые в резонанс-
ной технике, должны возбуждаться
и при частотах, меньших их собст-
венной резонансной частоты. Одна-
ко они не должны работать при
частоте, слишком удаленной от их
резонансной частоты; в противном
случае значительно уменьшается
чувствительность. На практике пре-
образователи удовлетворительно работают в диапазоне частот,
не более чем в 2 раза превышающих их естественную резонан-
сную частоту. В большинстве промышленных приборов каждый
диапазон настройки покрывает приблизительно одну октаву.
Дополнительные диапазоны'обеспечиваются при помощи кату-
шек индуктивности' дискретного включения, встроенных в коле-
бательный контур. Для каждого диапазона требуется своя гра-
дуировочная шкала на экране электронно-лучевой трубки, по-
этому для облегчения замены шкалы отпечатывают на прозрач-
ных листах, которые помещают перед экраном трубки. При
использовании плоских преобразователей для измерения тол-
щины изделий с криволинейными поверхностями в контакте с
изделием находится лишь малый участок поверхности преобра-
зователя. Следовательно, в изделие вводится лишь малая доля
энергии, сообщенной преобразователю. Большая поверхность
контакта и вследствие этого большая эффективность преобразо-
вателя может быть достигнута соответствующим подбором фор-
мы поверхности кристалла.
205
При контроле изделия значительной толщины будет возни-
кать серия гармонических пиков. Пусть положение одного пика
определяется по шкале величиной и другого — г2, тогда
где пит — целые числа;
/о — основная частота.
При этом неизвестно, какой гармонической частоте соответ-
ствует каждый пик, но показания, отсчитанные по шкале, мо-
гут быть выражены через основную частоту. Если резонансные
пики являются соседними (п = т — I); тогда,- так как /о= — ,
I V	V''	V
2t	2 (т — I)	2пгг2
t = (tn—1)^х и t = тг7.
Исключив т, получим
/ — Л£2
^1—^2
Если рассматривать два несмежных гармонических пика, то
приведенное выше уравнение примет вид
f =	(8.24)
Г1 — Г2
где N — число гармонических пиков между г\ и г2.
Промышленные приборы резонансного типа непосредствен-
но показывают толщину в диапазоне приблизительно от 0,6 до
7,6 мм. При помощи использования гармоник диапазон изме-
ряемых толщин может быть расширен до 100 мм. Градуировка
приборов проверяется на опытных блоках известной толщины,
Приборы, основанные на принципе пропускания. Мак-Гон-
нейгль и Бек [33] описывают систему ультразвукового контроля,
работающую по принципу пропускания. Ни один элемент этой
системы не является уникальным, но в целом она представляет
известный интерес. Наиболее важным является то, что эта си-
стема производит непрерывную двухмерную регистрацию
результатов прозвучивания изделия. Система состоит из ульт-
развукового генератора-приемника, сканирующего устройства и
регистрирующего прибора. В качестве ультразвукового генера-
тора-приемника используется промышленный рефлектоскоп.
Этот прибор был изменен так, чтобы от импульсного генера-
тора можно было отвести отрицательный импульс для замыка-
ния регистрирующей системы.
206
Сканирующее устройство состоит из жестко укрепленных
направляющих, бака, каретки преобразователя, двигателей и
сельсинов. Внешний вид сканирующего устройства показан на
фиг. 138; боковые металлические панели удалены. Каретка ис-
пользуется для укрепления двух преобразователей и перемеще-
ния их вдоль изделия. Каретка передвигается по рельсам с
помощью цепной передачи, связанной с двигателем через вариа-
Фиг. 138. Внешний вид ультразвукового сканирующего устройства.
тор. В установке используется двигатель поступательного дейст-
вия. Цепной привод соединен также с основным сельсином.
Оба преобразователя заключены в медную обойму, предназ-
наченную для жесткого закрепления кристаллов и поддержания
строгой параллельности плоскостей преобразователей. На карет-
ке установлен также электродвигатель с постоянным числом
оборотов для перемещения преобразователей в вертикальном
направлении. Основной сельсинный двигатель также приводит-
ся в действие вертикальным двигателем. Данное сканирующее
устройство может быть использовано для контроля как плоских,
так и круглых изделий. Круглые изделия устанавливаются на
специальной рейке и поворачиваются в связующей среде с помо-
щью цепного привода через вариатор. В этом случае каретка
перемещает пьезокристаллы после того, как вращающееся изде-
лие установлено по высоте в определенном положении.
Самопишущий прибор осуществляет непрерывную двухмер-
ную регистрацию результатов прозвучивания. В самописце
207
Фиг. 139. Результаты прозвучивания
образца с искусственными дефектами,
зафиксированные на электрочувстви-
тельной бумаге.
используется влажная электрочувствительная бумага, пропу-
скаемая между двумя электродами: неподвижным (положитель-
ным) и подвижным (отрицательным). Почернение бумаги опре-
деляется током, протекающим между двумя электродами, и ско-
ростью записи, причем чем больше сила тока, тем больше почер-
нение и чем больше скорость записи, тем больший ток требу-
ется для удовлетворитель-
ной регистрации. Положи-
тельный электрод изготов-
лен из полоски нержавею-
щей стали толщиной 1,2 мм.
Отрицательным электродом
служит цилиндрический ба-
рабан, на который спираль-
но намотана нихромовая
проволока. При вращении
подвижного электрода точ-
ка касания спирали и бу-
маги перемещается по пря-
мой линии. Бумага протя-
гивается сельсинным двига-
телем, присоединенным к
приводу продольного пере-
мещения сканирующего уст-
ройства. Таким образом,
длина отрезка, фиксируемо-
го на электрочувствительной
бумаге, равна длине про-
звучиваемого изделия. Ве-
дущий сельсин подсоединен к каждому двигателю привода, ко-
торые либо поворачивают изделие в баке, либо перемещают
вверх и вниз преобразователи. Этот ведущий сельсин соединен
с ведомым сельсинным двигателем, вращающим спираль само-
пишущего прибора. Соответствующим подбором диаметра спи-
рали ширина ультразвукового «снимка» делается равной ширине
(или поперечнику) изделия. На фиг. 139 показаны результаты
прозвучивания образца с искусственными дефектами.
Сигнал на запись подается с вертикального усилителя реф-
лектоскопа. Амплитуда этого сигнала определяется условиями
прохождения ультразвуковых колебаний через изделие. Элект-
ронная схема регистрирующей системы работает следующим
образом. Отрицательный манипуляторный импульс подается с
синхронизатора рефлектоскопа. Этот импульс действует в каче-
стве строб-импульса, благодаря чему начальный импульс не до-
стигает регистрирующего прибора. На регистрирующем приборе
фиксируется ультразвуковой импульс, прошедший через изделие.
Это оборудование используется для проверки качества отли-
вок из урана [34]. На фиг. 140 показан типичный «снимок» ура-
208
нового топливного элемента, очехлованного цирконием. Светлые
участки соответствуют зонам плохого сцепления между оболоч-
кой и сердечником; темные участки — зонам плотного кон-
такта.
С помощью ультразвукового пучка поперечным сечением
2 мм можно легко обнаружить зоны плохого контакта диамет-
ром 3,2 мм и более; применение более узких пуч-
ков снижает диаметр минимальной выявляемой
зоны плохого контакта до 0,8 мм.
Этот метод может быть применен не только
для обнаружения зон плохого сцепления между
двумя поверхностями, но также для определения
относительной степени сцепления между цирко-
ниевой оболочкой и топливным сердечником.
При соответствующем выборе уровня усиле-
ния и регистрации относительное потемнение бу-
маги дает относительную величину прочности
сцепления. Абсолютная величина прочности
сцепления определятся испытаниями на разрыв.
Сравнение результатов таких испытаний с отно-
сительным потемнением участков ультразвуково-
го снимка позволяет установить соотношение
между прочностью сцепления и потемнением бу-
маги.
Росс и Лип [35] описывают систему, работаю-
щую по принципу пропускания, в которой ис-
пользуются преобразователи из титаната бария.
Применение таких преобразователей исключает ,	.. ...
необходимость в высоковольтном источнике пи- .
тания, требующемся для возбуждения кварце-
вых преобразователей. В сверхзвуковом анали- ,
заторе [36] были использованы преобразователи .
из дигидрофосфата аммония. Для предохранения
кристаллы были помещены в резиновый чехол,
заполненный маслом.	L." Д
Как правило, обслуживание оборудования,
применяемого при испытаниях по методу пропус-
кания, несложно; результаты таких испытаний
легко расшифровываются. К недостаткам этого
метода следует отнести невозможность опреде-
ления глубины залегания дефекта под поверх-
ностью, если не используется ортогональная си-
стема сканирования. Этот метод не позволяет
Фиг. 140. Ульт-
развукограмма
тепловыделяю-
щего элемента
ядерного реак-
тора.
также дифференцировать виды дефектов в той степени, в какой
это позволяет сделать резонансный метод.
Чувствительность и разрешающая способность метода про-
пускания определяется такими факторами, как эффективное
поперечное сечение ультразвукового пучка, параллельность пре-
209
образователей, наличие пузырьков воздуха на преобразовате-
лях или изделии, скорость сканирования и записи и ориента-
ция изделия по отношению к ультразвуковому пучку. Для до-
стижения максимальной чувствительности поверхности излуча
тельного и приемного преобразователей должны быть парал-
лельны. Эффективное поперечное сечение пучка может быть
ограничено применением масок.
Воздушный промежуток представляет собой идеальную отра-
жательную поверхность; таким образом, хорошая маска может
быть создана путем создания воздушного зазора необходимой
формы. Другой метод ограничения поперечного сечения пучка,
позволяющий одновременно сконцентрировать ультразвуковую'
энергию, заключается в использовании специальных звуковых
линз, изготовленных из люцита, полистирена или жидкого четы-
реххлористого углерода. Линзы непосредственного контакта
плоскосферические или плоскоцилиндрические прикрепляются
плоской стороной к преобразователю воском.
Для уменьшения акустических потерь материал линзы дол-
жен иметь акустическое сопротивление, максимально прибли-
женное к акустическому сопротивлению преобразователя.
Например, для кварцевых преобразователей успешно приме-
няются алюминиевые линзы, так как алюминий и кварц имеют
почти одно и то же акустическое сопротивление. Кроме того,
алюминий имеет высокий акустический показатель преломления
при погружении в воду (отношение скорости звука в алюминии
к скорости звука в воде равно 3,5).
Принципы физической оптики применимы также в области
формирования изображения акустическими линзами; радиус
кривизны линзы для заданного фокусного расстояния вычис-
ляется по обычной формуле. Линзы можно изготовлять с линей-
ным или точечным фокусом. Как известно из оптики, разреша-
ющая способность линзы определяется выражением <2= 1,22 X/D,
где Z — длина волны и D — диаметр апертуры. Для достижения
более высокой разрешающей способности следует использовать
колебания высокой частоты и линзы с большим отношением
апертуры к фокусному расстоянию. Величина этого отношения
ограничивается величиной сферической аберрации.
Прозвучивание по методу отражения. Как правило, метод от-
ражения рекомендуется использовать для прозвучивания любых
изделий, кроме тонких. Это обусловлено тем фактом, что в те-
чение 1 мксек ультразвуковая волна проходит расстояние при-
близительно 6 мм. Для тонкого материала отраженный и на-
чальный импульсы не могут быть развернуты так, чтобы стало
возможным различить все сигналы, отраженные от дефектов
изделия. В то же вре^я метод отражения является наиболее
широко используемым методом ультразвукового контроля.
Типичные выявляемые дефекты включают трещины, изломы,
включения, расслоения, непровары, пустоты, ликвации, усадоч-
210
ные дефекты, пористость и отслои. Правильность расшифровки
результатов испытаний определяется опытностью контролера.
Сканирование — это общее название, означающее процесс
перемещения преобразователя вдоль контролируемого изделия.
Сканирование может быть двух видов — контактное и иммер-
сионное. При контактном сканировании преобразователь сопри-
касается с изделием через тонкую
пленку масла или другого связую-
щего вещества. При иммерсионных
испытаниях и изделие, и преобразо-
ватель погружены в связующую сре-
ду, но отделены одно от другого.
Контактный метод получил широкое
распространение, так как он хорошо
приспособлен для ручного сканиро-
вания, а портативность преобразо-
вателя позволяет проводить кон-
троль в полевых условиях. Вместе
с тем иммерсионный метод облада-
ет следующими преимуществами:
при контролировании грубо обрабо-
танных деталей преобразователь
изнашивается мало; могут быть
использованы более высокие часто-
ты и, как следствие этого, возможно
обнаружение дефектов меньших
размеров, а также дефектов, распо-
ложенных ближе к поверхности; до-
пустима ангуляция (angulation)
преобразователя, в результате чего
ультразвуковой пучок можно ввести
доступные для контактного метода; кроме того, этот метод мож-
но легко приспособить для автоматического или полуавтомати-
ческого сканирования.
К недостаткам иммерсионного метода относятся: необходи-
мость погружения изделия в связующую среду; акустические
потери на граничных поверхностях, что требует использования
более мощного оборудования и более точной направленности
ультразвукового пучка; наличие диффракции и преобразования
вида колебаний в том случае, ‘когда ультразвуковые колеба-
ния вводятся в изделие под углом, отличным от прямого.
Виды записи результатов прозвучивания. При контроле по
методу отражения используются три типа индикации (фиг. 141):
А, В и С. Индикация типа А, являющаяся одноразмерным спо-
собом записи, указывает на существование дефектов, опреде-
ляет их местоположение и дает возможность оценить их раз-
меры. Индикация типа В характеризуется регистрацией сигна-
лов, отраженных от передней и задней поверхностей изделия и
211
Индикация *_____2
munaA
типа В
Фиг. 141. Виды записи ре-
зультатов сканирования:
1 — расслой в пластине, 2 — пе-
редняя поверхность, 3 — рас-
слой, 4 — задняя поверхность,
5 — верх пластины, б — низ пла-
стины, 7— вид дефекта в плане.
по нормали в области, не-
от дефектов при линейном перемещении преобразователя; таким
образом, В-индикация позволяет определить характер попереч-
ного сечения изделия вдоль данной линии. Преимущество инди-
кации этого типа заключается в том, что могут быть выявлены
как длина дефекта, так и глубина его залегания под поверхно-
стью.
Индикация типа С представляет собой проекцию внутрен-
них деталей изделия на плоскость. Индикация типа С может
быть получена из индикации типа А; при достаточном количе-
стве точек возникает контур дефекта. При индикации типа С сиг-
налы, отраженные от передней и задней поверхностей, не ис-
пользуются; регистрируются лишь импульсы, отраженные от
дефекта.
При индикации типа А начальный регистрируемый импульс
подается с генератора на преобразователь. Слишком большая
длительность начального импульса может помешать регистра-
ции сигналов от дефектов, расположенных близко к поверхно-
сти.
Начальный импульс должен быть отрегулирован так.
чтобы он имел минимально возможную длительность и в то
же время обладал достаточной проникающей способностью.
Для идентификации вида дефекта большое значение может
иметь выбор соответствующей частоты. Например, скопления
пор, ликвации или включения при использовании высоких ча-
стот могут быть ошибочно приняты за большие дефекты; пра-
вильное решение вопроса о типе дефекта можно получить пу-
тем прозвучивания на низких частотах.
Донные импульсы. Импульсы, отраженные от тыльной по-
верхности контролируемого изделия, называются донными им-
пульсами. Возникновение на экране донного сигнала указы-
вает на то, что ультразвуковые колебания проходят через кон-
тролируемое изделие. Импульс, отраженный от .дефекта, будет
располагаться на экране между начальным импульсом и пер-
вым донным импульсом. На экране слева от донного импульса
могут также появляться импульсы колебаний, отраженных от
поясков, выступов или галтелей.
Типичная форма изображений на экране дефектоскопа.
Крутая форма импульса (фиг. 142) обычно указывает на
наличие трещины или другого дефекта, расположенного почти
параллельно к плоскости преобразователя. Луковицеобразное
изображение (фиг. 143) обычно обозначает дефект (трещину
или раковину), поверхность которого располагается под неко-
торым углом к плоскости преобразователя. Если несплошность
располагается под углом к преобразователю, то его перемеще-
ние вдоль изделия вызывает сдвиг соответствующего этой не-
сплошности импульса. Ряд резких импульсов, которые при
перемещении преобразователя то пропадают, то возникают
вновь, указывает на наличие растрескивания (фиг. 144). Ряд
212
луковицеобразных импульсов, которые то исчезают, то возни-
кают при перемещении преобразователя, обычно обозначает
крупную пористость (фиг. 145). Появление неустойчивых мелких
импульсов, пе-рекрывающих друг друга, указывает на наличие
ликвации Дфиг. 146).
Фиг. 142. Дефект, па-
раллельный плоскости
вибропреобразователя.
Фиг. 143. Дефект,
расположенный
под углом к плос-
кости вибропреоб-
разователя.
Как следует из фиг. 147, путь импульса, отраженного от вы-
ступа на изделии, короче, чем путь донного импульса; изобра-
жение этого импульса на экране индикатора появляется по-
Фиг. 144. Изобра-
жение растрески-
вания.
Фиг. 145. Изобра-
жение крупной по-
ристости.
этому слева от изображения донного импульса. Это изображе-
ние ошибочно можно принять за изображение дефекта; разли-
чение этих двух сигналов зависит от опытности и знаний опера-
Фиг. 146. Изобра-
жение ликвации.
Фиг. 147. Влияние
фланца на характер
изображения.
тора. Если контролируемые детали имеют неправильную
форму, то на экране возможно возникновение многократно от-
раженных импульсов, которые не следует смешивать с много-
кратно отраженным донным сигналом. Появление этих импуль-
сов объясняется рассеиванием пучка ультразвуковых колебаний;
колебания, вышедшие из направленного пучка, отражаются от
поясков и выступов. Из фиг. 148 видно, что путь импульса, от-
раженного от галтели, длиннее, чем путь донного импульса.
213
Следовательно, изображение импульса от галтели будет рас-
полагаться на экране справа от изображения первого донного
импульса; последующие донные -импульсы располагаются на
одинаковых расстояниях один от другого. Однако внезапное
увеличение числа донных импульсов без соответствующего
уменьшения длины изделия обычно указывает на наличие от-
слоения (фиг. 149).
Уменьшение амплитуды, исчезновение или потеря донного
импульса при перемещении преобразователя вдоль изделия мо-
жет быть обусловлено трещиной, расположенной под прямым
Фиг. 148. Отражение от гал-
тели.
uUllUll
nmmff
Фиг. 149. Изображе-
ние расслоения или
отсутствия сцепления.
углом к плоскости преобразователя. Это условие может ’вы-
звать полное исчезновение донного импульса, когда преобразо-
ватель находится непосредственно над трещиной. Это замеча-
ние в наибольшей степени относится к открытым трещинам
или трещинам, расположенным близко к поверхности из-
делия.
Потеря донного импульса может быть также вызвана не-
сплошностью или трещиной, верхняя плоскость которой распо-
ложена под таким углом, что колебания, отраженные от нее, не
воспринимаются преобразователем; донный импульс может ис-
чезать при перемещении преобразователя над зонами, содер-
жащими пористость, и появляться вновь после прохождения
этих зон. Крупнозернистая структура влияет на характер дон-
ного импульса так же, как пористость.
Потеря донного импульса может произойти и в том случае,
когда ультразвуковые колебания полностью проходят через из-
делие и проникают в тот материал, на котором находится
изделие. Заметное уменьшение амплитуды или числа после-
дующих донных импульсов может указывать на пористость,
зоны крупнозернистой структуры или ликвации (фиг. 150).
Если донный импульс не появляется на экране (фиг. 151) вне
зависимости от положения преобразователя, это может быть
объяснено одной из следующих причин: 1) колебания не дохо-
дят до удаленной стороны материала вследствие плохого со-
стояния поверхности; 2) колебания не доходят до удаленной
стороны материала в результате использования ультразвуко-
вых волн слишком высокой частоты либо грубой обработки
214
или изъязвления противоположной стороны изделия; 3) отсутст-
вует контакт между преобразователем и изделием из-за не-
умелого обращения с оборудованием или применения не соот-
ветствующего условиям испытаний связующего вещества;
4) колебания отражаются от расслоев в материале, располо-
женных вблизи от контролируемой поверхности; 5) противо-
положная сторона изделия расположена под углом к направ-
лению пучка колебания, и отраженные импульсы не восприни-
маются преобразователем.
Следует проявлять осторожность при попытках определить
размер дефекта по амплитуде отраженного импульса. На раз-
Фиг. 150. Изображение
пористости и зон крупно-
зернистой структуры.
Фиг. 151. Отсутствие
донного импульса.
мер сигнала, регистрируемого на экране осциллоскопа, ориен-
тация дефекта влияет в такой же степени, как и его истинный
размер.
Дефект при боковом прозвучивании кажется значительно
менее серьезным, чем при прозвучивании сверху, так как его
отражающая поверхность больше, если он расположен под
прямым углом к направлению звукового пучка.
Применение метода отражения при ультразвуковом контро-
ле. Хартли и Мул [37] для контроля качества инструментальной
стали использовали ультразвуковой рефлектоскоп. Они сооб-
щают, что этот метод может быть применен для сравнительной
оценки степени ликвации, наличия пустот, а также для оценки
изменений структуры, обусловленных 'термообработкой.
Хэйфмейстер [38] исследовал ряд поковок, используя техни-
ку отраженного импульса и контактное сканирование. Испыта
ния производились при частоте 0,5 Мгц. На фиг. 152 показаны
результаты, полученные в процессе исследования при индика-
ции типа А.
Ярко выраженный донный импульс и слабые индикации
между начальным и донным импульсами указывают на отсут-
ствие пористости или вторичной усадочной раковины
(фиг. 152, а, б). На фиг. 152, в, г показаны импульсы, соответству-
ющие наличию центральной пористости и вторичной усадочной
раковины, на фиг. 152, и — разрыву значительных размеров, а
на фиг. 152, е — небольшому разрыву. Уорд и Борг [39] использо-
вали метод отражения для контроля отливок из циркония и
циркониевых сплавов; диапазон частот составлял от 2,25 до*
215
5,0 Мгц. Авторам удалось обнаружить включения, пустоты,
пористости и несплошности при контроле отливок длиной до
1200 мм.
Одна из трудностей проведения ультразвукового контроля
отливок обусловлена шероховатостью литой поверхности. Ше-
Фиг. 152. Изображения дефектов на экране рефлектоскопа:
а — донный импульс нормальной величины и незначительные промежуточные им-
пульсы указывают на доброкачественность поковки, б — те же результаты при про-
звучивании в обратном направлении, в — отсутствие донного импульса и резкие про-
межуточные импульсы указывают на наличие пористости, г — резкие импульсы меж-
ду начальным импульсом и ярко выраженным донным импульсом указывают на
наличие вторичной усадочной раковины, д — то же, что на фиг. 152,а, указывает на
протяженность раковины, е —- изображение небольших ковочных разрывов на оси
вала, ж, з — изображение пористости и разрывов, и — изображение крупного разрыва
на оси вала, я — наличие разрыва и пористости; донный импульс обусловлен отвер-
стием диаметром 75 мм; фиг. 152 а — 152,Л1 подтверждают испытания, произведен-
ные до сверления отверстия, л — общий вид фиг. 152а, м — продолжение общего
вида фиг. 152а, н — отсутствие смыкания в горячей верхней части поковки, не-
большая раковина, о — остаточная усадочная раковина, п — раковина ликвидирована;
общая пористость, р — остаточная пористость
роховатость особенно вредна при использовании метода кон-
тактного сканирования, Иммерсионный метод менее чувствите-
лен к наличию шероховатости; однако контроль по иммерсион-
ному методу отливок больших размеров также представляет
собой проблему; эту трудность исключает использование в ка-
честве связующей среды водяной струи. Для этого к передней
части преобразователя прикрепляют насадку в виде сопла;
216
сбоку к насадке подводится вода. Поток воды, падающей на
изделие, создает «мост» для подвода ультразвуковой энергии от
преобразователя к изделию.
Ультразвуковой контроль используется также для обнару-
жения трещин в головке рельсов и трещин между болтовыми
отверстиями на концах рельсов [40]. Метод отраженного им-
пульса используется для выявления
дефектов в осях тепловозов, криво-
шипных пальцах и т. д. [41].
В Англии ультразвуковой конт-
роль широко используется для об-
наружения волосных трещин в ста-
ли [42].
Применение сдвиговых волн.
Следующий метод ультразвукового
контроля связан с применением'
сдвиговых или поперечных волн.
Ультразвуковые сдвиговые волны
распространяются по зигзагообраз-
ной траектории, как показано на
фиг. 124. В трубах сдвиговые волны
распространяются по траектории,
показанной на фиг. 153. Использо-
вание СДВИГОВЫХ волн ДЛЯ обнару- Фйг- Сдвиговые волны
жения дефектов в трубах описано в	в трубе,
работе [43]. В процессе контроля
труба вращается, в то время как расположенный против нее
преобразователь медленно перемещается в продольном направ-
лении. Это обеспечивает сканирование всей поверхности трубы
и облегчает расшифровку изображения на экране осциллоскопа.
Так как труба вращается, импульс, отраженный от дефекта и
регистрируемый на экране осциллоскопа, легко опознается по
его перемещению направо или налево в зависимости от направ-
ления вращения трубы; любые ложные импульсы остаются на
экране неподвижными. В качестве градуировочного стандарта
часто используются надрезы на внутренней и внешней по-
верхностях труб; обычно глубина надреза составляет около
0,1 мм.
Описанный выше метод не может быть использован для
контроля небольших трубопроводов вследствие запирания
приемника в момент прохождения импульса. Группа неразру-
шающих испытаний Ноллзской атомно-энергетической лабо-
ратории [44] разработала метод ультразвукового контроля труб
малого диаметра. В соответствии с этим методом генерируются
сдвиговые волны, направленные параллельно продольной оси
трубы. Для этого на основе обычного промышленного преобра-
зователя, генерирующего сдвиговые волны, был изготовлен спе-
циальный преобразователь. Поворачивая трубу (преобразова-
217
тель расположен на одном ее конце) и перемещая преобразо-
ватель в продольном направлении приблизительно на 12 мм,
можно проконтролировать трубу по всей ее длине. Результаты,
полученные с помощью этого метода при выявлении искус-
ственных дефектов, показаны на фиг. 154.
Техника исследования труб малого диаметра в окружном
направлении, основанная на использовании сдвиговых волн,
показана на фиг. 155 [45]. Преобразователь устанавливается на
Фиг. 154. Ультразвуковой контроль труб малого диаметра с помощью сдви-
говых волн:
а — рефлектограмма трубы, указывающая на отсутствие дефектов; слева — начальный
импульс, справа — донный импульс, б — рефлектограмма сплошного стального стержня
диаметром 2 мм, указывающая на отсутствие дефектов; пики соответствуют начально-
му импульсу и первым двум донным импульсам, в — изображение на экране надпила
глубиной около 0,125 мм на расстоянии 5 см от конца трубы, занимающего по окруж-
ности 40°; амплитуда импульса, отраженного от дефекта, составляет 33% от амплитуды
донного импульса, г — изображение на экране надреза глубиной 0,05 мм и шириной
0,8 мм на расстоянии 5 см от конца трубы, занимающего по окружности 180°; амплиту-
да импульса, отраженного от дефекта, составляет 17% от амплитуды донного импульса,
д — изображение двух окружных надрезов на расстоянии 7,5 и 10 см от конца трубы
глубиной соответственно' 0,05 и 0,025 мм, е — второй наибольший пик слева указывает
на аксиальную канавку на трубе; глубина канавки около 0,125 мм, длина 6,4 мм и
расстояние от противоположного конца трубы 5 см, ж — изображение отверстия, про-
сверленного в стенке трубы толщиной 0,25 мм сверлом № 80 на расстоянии 10 см от
конца трубы; амплитуда отраженного импульса (второй пик слева) составляет 30%
амплитуды донного импульса.
клине, который задерживает во времени вход каждого им-
пульса в изделие. Временная задержка должна быть больше,
чем половина длительности самого импульса. Для исключения > <
ревербераций, обусловленных отражением на границе изделия,
в устройство для генерирования задержанных сдвиговых волн
встроен поглощающий клин, в котором отраженный от границы
изделия пучок при дальнейшем многократном отражении от
стенок теряет свою энергию. При помощи этого устройства был
обнаружен искусственный дефект — отверстие глубиной
6,35 мм на расстоянии 0,8 мм под поверхностью.
218
Для использования совместно с генератором сдвиговых
волн этого типа была разработана специальная регистрирую-
щая система.
Регистрирующее устрой-
ство, как показано на блок-
схеме, содержит два неза-
висимых канала (фиг. 156).
Фиг. 156. Блок схема двухканального
регистрирующего устройства, исполь-
зуемого совместно с генератором
сдвиговых волн:
1 — ультразвуковой испытательный прибор,
2— мультивибратор с задержкой, 3— муль-
тивибратор с регулировкой ширины, 4 —
стробированный усилитель, 5 — пиковый
детектор, б — усилитель постоянного тока,
7 — двухканальный самопишущий прибор.
Фиг. 155. Генератор сдвиговых
волн с временной задержкой
Ноллзской Атомно-Энергетиче-
ской Лаборатории.
Эти каналы идентичны, но работают в разное время. Канал 1
включен в период между концом начального импульса и нача-
лом обратного импульса; канал 2 включен в период приема
обратного импульса. Чувствительность канала 1 устанавли-
вается по индикации стандартного искусственного дефекта и
соответствует определенному отклонению самописца. Ампли-
туда обратного сигнала (канал 2) служит постоянной мерой
чувствительности испытаний.
Если связь между искательным устройством и трубкой ос-
лабляется, то в результате уменьшается количество энергии,
переданной на трубку, и амплитуда обратного сигнала соответ-
ственно понижается.
Метод сдвиговых волн используется также для контроля
внутренней поверхности ружейных стволов [46]. Сдвиговая
волна (фиг. 157) проектируется на стенку ружейного ствола и
распространяется по ней в окружном направлении. Любые не-
сплошности в стенке будут отражать часть пучка обратно на
преобразователь.
219
При вдвигании искательной головки в ствол и одновремен-
ном вращении ствола возможно полностью проконтролировать
стенку ствола; этот метод позволяет обнаруживать очень малые
трещины.
Фиг. 157. Применение сдвиговых волн
для контроля ружейных стволов:
а — общий вид угловой искательной головки,
прикрепленной к борштанге, б — вид поперечного
сечения ствола с размещенной в нем искатель-
ной головкой; показан ход ультразвукового пучка,
в — типичная диаграмма, показывающая протя-
женность дефекта и его расстояние от конца
ствола (вверху — масштабные отметки), г — изо-
бражение на экране электронно-лучевой трубки
при визуальном контроле; / — борштанга. 2—пла-
стиковый башмак, 3 — штепсельный разъем для
соединения с кабелем рефлектоскопа, 4 — отвер-
стие для заполнения, 5 — уплотнительные чаше-
образные манжеты, 6— байонетный затвор, 7— ис-
кательная головка, 8 — кварцевый вибропреобра-
зователь, 9 — первичный ультразвуковой импульс,
10 — импульс, отраженный от дефекта, // — на-
чальный импульс, 12 — импульс от дефекта.
Метод сдвиговых волн используется для контроля швов в
сварных трубах из малоуглеродистой стали [47]. В этом случае
преобразователь выполняется так, чтобы его форма соответст-
вовала контуру трубы, и поверхность трубы сканируется пере-
мещением преобразователя по окружности. При этом в момент
приближения преобразователя на угол примерно 15° от шва
наблюдается отраженный импульс, который при последующем
приближении к шву увеличивается по амплитуде и смещается
по направлению к пику начального импульса.
Обычно преобразователь, генерирующий сдвиговые волны,
находится в непосредственном контакте с изделием, но сдвиго-
вые волны используются также при контроле по иммерсион-
ному методу.
220
Сдвиговые волны в этом случае образуются путем преобра-
зования вида колебаний (см. фиг. 158).
Контроль сварных соединений. Два метода контроля свар-
ных швов ультразвуковых колебаний показаны на фиг. 159.
Валик сварного шва часто слишком неровен, чтобы можно было
создать надежный контакт между преобразователем и изделием
при контактном сканировании; поэтому такой метод контроля
Фиг. 158. Ультразвуковой
контроль с помощью сдви-
говых волн в иммерсионном
варианте.
Фиг. 159. Методы
ультразвукового кон-
троля сварных сое-
динений.
Фиг. 160. Методы;
ультразвукового кон-
троля сварных соеди-
нений.
можно использовать только после соответствующей обработки
валика. Первый метод контроля (фиг. 159, а) не обеспечивает
выявление дефектов, расположенных вблизи поверхности; дру-
гой причиной, по которой этот метод не может считаться удов-
летворительным, является то обстоятельство, что трещина не
дает отраженного сигнала, если направление ультразвукового
пучка параллельно плоскости трещины. В некоторых случаях
может быть использован второй метод (фиг. 159,5), дающий
удовлетворительные результаты. Третий метод показан на
фиг. 160; с помощью этого метода можно обнаружить дефекты,
расположенные в любой плоскости. По четвертому методу
(фиг. 161) преобразователь зигзагообразно перемещается па-
раллельно сварному шву; при этом обязательным условием
является полное удаление с поверхности изделия окалины, ржав-
чины или любых других загрязнений на расстоянии приблизи-
тельно 15 см от сварного шва. Часто желательно проконтроли-
ровать сварной шов с обеих сторон.
Так как на практике не существует абсолютно надежного
метода, позволяющего точно определить- характер дефекта, в
большинстве случаев используются эталоны со стандартными
дефектами, такими как пропилы различной глубины. Кречтером
и Крауткрамером [48] в целях определения точных размеров
дефектов предложены схемы контроля с использованием сдво-
енных преобразователей (фиг. 162). По обе стороны сварного
шва размещаются два преобразователя, соединенные парал-
221
лельно так, что каждый из них является одновременно и излу-
чателем и приемником. Вид наблюдаемой осциллограммы пока-
зан на фиг. 162. Индикация дефекта Di является импульсом,
отраженным от дефекта и воспринятым преобразователем /:
£)2 _ импульсом, отраженным от дефекта и воспринятым преоб-
Фиг. 161. Ультразвуковой
контроль сварных соедине-
ний с помощью сдвиговых
волн:
1 — начальный импульс, 2— изо-
бражения дефектов.
Фиг. 162. Схема контроля,
сварных соединений с ис-
пользованием сдвоенных
вибропреобразователей.
разователем 2. «Сквозные» импульсы, прошедшие через де-
фект и воспринятые обоими преобразователями, располагаются
посередине между двумя индикациями дефекта. Размер дефек-
та оценивают путем сравнения
размера отраженного импульса
с размером прошедшего импуль-
са; отношение этих величин соот-
ветствуют отношению размера
дефекта и поперечного сечения
пучка. График этой зависимости
показан на фиг. 163.
Метод сдвиговых волн можно
также использовать для контро
ля круговых сварных швов на
трубах [49], [50]. В этом случае
сдвиговая волна направлена ак-
сиально вдоль трубы. Ложные
импульсы, отраженные от различ-
ного рода неровностей на внут-
ренней и внешней поверхностях
Фиг. 163. Зависимость между раз-
мером дефекта и отношением ам-
плитуды At сигнала, отраженного
от дефекта, к амплитуде А2 дон-
ного сигнала.

сварного шва, не влияют на чувствительность испытания, но
крайне затрудняют расшифровку результатов. Это затруднение
можно устранить путем шлифовки внутренней и внешней по-
верхностей заподлицо с поверхностью основного металла. Для
проверки эффективности метода были проконтролированы уча-
стки швов с заранее известными дефектами, такими как шлако-
222
вне включения, непровары, непроплавления; все эти дефекты
были обнаружены.
В некоторых швах были обнаружены еще более мелкие де-
фекты, но во всех случаях дефекты были меньше тех, которые
допускаются нормами ASME при контроле труб с помощью
радиографирования.
Контроль труб. На фиг. 164 показана схема ультразвуковых
испытаний по методу отражения для контроля сварных швов
трубопроводов. Преобразователь размещается на пластмассо-
вом клине с углом, обеспечивающим генерацию поверхностных
волн. Преобразователь прижат пружиной к трубопроводу в точ-
ке, расположенной под углом 120° к сварному шву. Когда дефек-
ты отсутствуют, волна проходит по окружности трубы и затем
воспринимается преобразователем; при этом импульс на экране
осциллоскопа возникает на расстоянии 360° от начального им-
пульса. Если в сварном шве существует дефект, часть поверх-
ностной волны отражается, и на расстоянии 240° от начального
импульса появляется отраженный импульс.
В последнее время все большее значение придается конт-
ролю труб, особенно труб малого диаметра, что объясняется их
широким применением в области атомной энергетики и ракет-
ной техники. Эффективный ультразвуковой контроль таких труб
может быть осуществлен с помощью сдвиговых волн. Сдвиговые
волны генерируются с помощью преобразователя, создающего
продольные волны, и пластмассового клина.
На фиг. 165 показан оптимальный угол входа для контроля
трубы малого диаметра. Численное значение этого угла можно
определить из следующего равенства:
у = arc sin DeH .	(8.25)
Внар
После вычисления угла входа может быть вычислен соответ-
ствующий угол клина. Однако вычисление этого угла для трубы
малого диаметра отличается от соответствующих расчетов для
плоской поверхности. Кривизна поверхности трубы вносит за-
метную поправку в эффективные углы клина. Действие изогну-
той поверхности трубы подобно действию линзы; угол раскры-
тия звукового пучка возрастает. Изменение угла клина, обус-
ловленное кривизной трубы, показано на фиг. 166. Значение это-
го угла определяется по формуле (W— ширина пучка):
<p = arcsin —.	(8.26)
Уравнения (8.25) и (8.26) показывают, что существует за-
метное расхождение между углами входа на передней и задней
кромках преобразователя. Если преобразователь размещен так,
что ось пучка образует с поверхностью трубы угол, равный оп-
223
тимальному углу входа, то ультразвуковые волны будут распро-
страняться вокруг трубы в обоих направлениях. Однако, изме-
няя положение преобразователя по отношению к трубе, можно
К рефлектоскопу
Фиг. 164. Ультразвуковой контроль^ сварного шва в
трубопроводе:
1 — ультразвуковые волны, совершающие полный оборот и про-
ходящие под вибропреобразователем, 2--сварной шов, 3— часть
ультразвуковых волн, отраженная от сварного шва к вибропре-
образователю, 4 — вибропреобразователь, 5 — начальный им-
пульс, 6 — допустимый уровень сигнала, 7 — импульс, обуслов-
ленный ультразвуковой волной, обогнувшей трубу, 8 — импуль-
сы, обусловленные входом ультразвуковой волны в зону свар-
ного шва, 9 — импульс, отраженный от дефекта в сварном
шве, 10 — самопишущий прибор, 11 — дефект, 12 — контрольное
устройство, 13 — сигнал 6,3 в, 14 — контактор 6,3 в, 15 — пнев-
матический отметчик времени, 16 — световой сигнал, 17 — зву-
ковой сигнал, 18 — 4-ходовой клапан с соленоидным приводом,
19 — краскодувка, 20 — труба, 21 — вибропреобразователь, 22 —
коаксиальный кабель, 23 — рефлектоскоп.
найти некоторое оптимальное положение. Одним из способов
регулирования положения преобразователя является регулиро-
вание с помощью переходной детали типа «седла» (saddle adap-
ter) .
224
Как видно из фиг. 167, эта деталь состоит из держателя,
в котором закреплен преобразователь, и контактной колодки;
держатель может перемещаться относительно колодки благода-
ря пазам, расположенным перпендикулярно оси контролируемой,
трубы. При перемещении держа-
теля меняется угол между направ-
Фиг. 165. Оптималь-
ный угол ввода уль-
тразвуковых волн в
трубу малого диа-
метра.
Фиг. 166. Изменение
угла клина, обуслов-
ленное кривизной
трубы.
иммерсионного конт-
Фиг. 167. Седловой пе-
реходник:
1 — подвижная искательная)
головка, 2—«седло», 3 —
контактная колодка.
лением ультразвукового пучка и касательной к поверхности
трубы. Окончательное положение преобразователя определяется
пробными испытаниями. Типичные схемы
роля труб показаны на фиг. 168. Если
надо разделить сигналы, отраженные от
дефектов на внутренней и внешней по-
верхностях трубы, то можно использо-
вать второй преобразователь, размещен-
ный так, чтобы оба сигнала четко раз-
личались на экране осциллоскопа.
Оливер и его сотрудники [51] про-
контролировали большое количество
труб диаметром 4,8 и 6,4 мм, имеющих
толщину стенки 0,635 мм. Столь малые
размеры потребовали использования
кратковременных импульсов и широко-
полосного усиления. Для повышения про-
изводительности был выбран иммерсион-
ный метод; контроль осуществлялся с по-
мощью преобразователей на основе суль-
фата лития, обладающих более высокой чувствительностью, чем
кварцевые кристаллы. При прозвучивании была использована
запись результатов по типу В, обеспечивающая более высокую
скорость сканирования; кроме того, расшифровка результатов,
контроля в этом случае более надежна и требует меньших за-
трат времени. Преобразователь относительно трубы располагал-
ся так, что звуковой пучок после входа в стенку трубы распро-
8 Испытания без разрушения	225
странялся в ней в окружном направлении. При этом угол паде-
ния звуковых волн на поверхность трубы составлял от 0 до 90°;
однако волны, угол падения которых превышал 30°, не прони-
кали в стенку трубы.
Фиг. 168. Иммерсионный контроль труб.
Неколлимированный звуковой пучок охватывает лишь около
3,5 мм по длине трубы; при этом эффективно используется лишь
небольшой сегмент поверхности кристалла (фиг. 169). Это об-
Фиг. 169. Эффективная ширина кристалла
при неколлимированном пучке:
1 — труба, 2, — кристалл.
Фиг. 170. Коллимирование ультразвукового пучка:
/ — вибропреобразователь, 2 — коллиматор (армированный пластик),
3 — труба, 4 — эффективная ширина кристалла при коллимированном
ультразвуковом пучке.
стоятельство ограничивает линейное перемещение трубы, кото-
рое соответствует одному полному повороту. Коллимирование
пучка (фиг. 170) увеличивает эффективную ширину кристалла
до величины, почти равной его действительному диаметру; за
счет этого возрастает линейное перемещение на один оборот и,
следовательно, скорость контроля. При контроле по этому мето-
ду звуковые волны распространяются по стенке трубы только в
226
одном направлении, поэтому, чтобы обеспечить надежное выяв-
ление менее благоприятно ориентированных дефектов, должно
быть произведено вторичное сканирование, в процессе которого
звуковые волны проходят по стенке в противоположном направ-
лении.
Применение поверхностных волн. Алюминиевые детали
Т-образного сечения (фиг. 171) длиной от 5,4 до 6,0 м и толщи-
Фиг. 171. Ультразвуковой контроль профильных алюминиевых деталей
с помощью поверхностных волн.
ной около 6,4 мм были проконтролированы с помощью поверх-
ностных волн для выявления поверхностных включений и вклю-
чений, расположенных непосредственно под поверхностью. Тра-
ектория поверхностных волн соответствует очертаниям детали,
и с их помощью возможно обнаружить дефекты, расположенные
на стороне изделия, противоположной преобразователю. Ориен-
тация дефектов была неупорядоченной; поэтому поверхность
прозвучивалась в двух направлениях. На расстоянии более чем
3,7 м от места расположения преобразователя были обнаружены
дефекты диаметром от 0,203 до 0,254 мм.
Деталь узла крепления винта самолета, выступающая часть
которой показана на фиг. 172, была проконтролирована на ме-
сте, без демонтажа, для проверки наличия трещин в углублении
ее профиля. В углублении действительно были обнаружены тре--
щины; контроль с помощью других методов в данном случае был
невозможен, так как эта часть детали была трудно доступна.
По методу поверхностных волн были проконтролированы также
8*	227
[( ф- ф> -ф- -ф- -ф-
[| -Ф--Ф-Ф--Ф- -ф^^
Фиг. 172. Ультразвуковой кон-
троль детали узла крепления вин-
та самолета с помощью поверхно-
стных волн:
/ — искательная головка; частота по-
верхностных волн 2,25 Мгц, 2 — вероят-
ное местонахождение трещин.
Фиг. 173. Ультразвуковой контроль
стальных заготовок для днищ ре-
зервуаров с помощью поверхност-
ных волн:
/ — штампованный стальной диск, 2 —
поворотный стол.
Фиг. 174. Ультразвуковой кон-
троль кованых стальных колес с
помощью поверхностных волн:
1 — искательная головка; частота по-
верхностных волн 1 Мгц, 2 — вероятное
местонахождение окружных поверхност-
ных трещин.
Фиг. 175. Ультра-
звуковой контроль
пружин клапанов
с помощью по-
верхностных волн
(частота поверх-
ностных волн
2,25 Мгц).
Фиг. 176. Ультразвуковой контроль
валков прокатных станов с помощью
поверхностных волн:
а — выявление поверхностных дефектов,
б — контроль ликвидации поверхностных
дефектов при шлифовке валков.
228
стальные заготовки днищ резервуаров, штампованные из плиты
толщиной 17 мм] состояние поверхности этих заготовок
(фиг. 173) контролировалось на поворотном столе. Наличие кру-
говых трещин на поверхности кованых стальных колес
(фиг. 174) проверялось с помощью поверхностных волн с ча-
стотой 1 Мгц] при вращении колеса искательная головка была
плотно прижата к диафраг-
ме колеса около ступицы.
Трещины, возникающие
в штампах вблизи острых
углов профиля, часто на-
столько глубоки, что оста-
ются даже после того, как
штампы выровнены для на-
несения на них нового про-
филя.
Одним из примене-
ний ультразвукового кон-
троля по методу поверхно-
стных волн является про-
верка того, насколько
полно ликвидированы эти
трещины при выравнивании
Фиг. 177. Ультразвуковой контроль
вала с помощью поверхностных волн:
/ — искательная Головка в положении 1,
2 — искательная головка в положении 2,
3 — трещина.
поверхности штампа.
Выявление усталостных
трещин на пружинах клапа-
нов авиационных двигателей
по методу поверхностных
волн показано на фиг. 175.
Мельчайшие поверхностные
пороки, вмятины, риски или коррозионные изъязвления могут в
конечном счете привести к серьезной аварии в процессе эксплуа-
тации; ультразвуковой поверхностный контроль позволяет
отбраковать пружины, имеющие дефекты в стадии зарождения.
Контроль с помощью поверхностных волн частотой 1 Мгц ис-
пользуется для проверки валков прокатных станов на растрес-
кивание (фиг. 176). Поверхности выступающих фигурных частей
осей, валов и тому подобных деталей можно проконтролировать
с помощью поверхностных волн, посланных вдоль прилежащей
плоской или цилиндрической поверхности, как показано на фиг.
177. На этой фигуре преобразователь показан в двух положе-
ниях: в одном случае против дефектной зоны, в другой — против
доброкачественной.
На основании этого краткого обзора применения контроля с
помощью поверхностных волн можно заключить, что развитие
и применение этого метода еще только начинается; например,
поверхностные волны могут быть легко генерированы в про-
волоке, диаметр которой не превышает 2,5 мм, что открывает
229
возможность для непрерывного контроля качества такой про-
волоки в процессе производства.
Брэдфилд [52] описывает четыре усовершенствования техники
контроля по методу отраженного сигнала: слоистый преобра-
зователь вида колебаний, обладающий большей эффективно-
стью и избирательностью, чем обычный люцитовый клин; схема
подсоединения пьезоэлектрических преобразователей, обеспечи-
вающая повышенную избирательную способность; устройство,
снижающее влияние обработки поверхности на результат конт-
роля; прибор, с помощью которого ультразвуковой пучок мо-
жет быть сконцентрирован на определенном участке.
ГЛАВА 9
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Как уже упоминалось в предыдущей главе, один из наиболее
старинных методов неразрушающих испытаний заключается в
том, что внутреннее состояние изделия оценивается по звуку,
производимому при постукивании по изделию молотком. Нали-
чие дефекта устанавливается по фальшивому тону звучания и
быстрому уменьшению интенсивности звука. Этот метод не впол-
не надежен, так как частота звуковых колебаний зависит до
некоторой степени от вида закрепления изделия.
Частота звучания зависит также от характера удара, опреде-
ляющего, будет ли частота колебаний основной, гармонической,
обертоновой или комбинацией этих частот. Подобным же обра-
зом на частоту звука влияет сила удара. Собственные частоты
звучания некоторых изделий могут находиться вне области слы-
шимости, в этом случае применяют соответствующие электрон-
ные устройства. Звуковые волны, воспринимаемые слуховым
аппаратом человека, огибают дефекты малых размеров, поэто-
му с помощью «ударного» метода можно выявить только де-
фекты значительной величины.
Характеристикой внутреннего состояния материала является
также скорость убывания интенсивности звучания. Без помощи
специальных приборов трудно точно определить время затухания
звуковых колебаний; ухо человека в состоянии уловить разницу
в интенсивности звучания не менее 20%. В последние годы ско-
рость ослабления колебаний в твердых телах стала предметом
многих исследований. Следует отметить, что метод, основанный
на затухании, и метод измерения собственных частот являются
неразрушающими, поскольку амплитуды колебаний, необходи-
мые для измерения частоты или затухания, обычно так малы,
что возникающие напряжения не оказывают почти никакого воз-
действия на состояние материала.
Собственные колебания. В стержнях или балках могут быть
вызваны продольные, поперечные или крутильные колебания.
Каждое изделие обладает определенными характеристическими
частотами, при которых происходит его вибрация; эти характе-
ристические частоты определяются размерами, массой, формой,
231
упругими свойствами изделия, а также видом колебаний, вы-
званных в изделии. Для изделий простой формы можно устано-
вить соотношение между различными параметрами и частотой
наиболее простых видов колебаний. Если изделие имеет
настолько сложную форму, что установить эти соотношения
математическим путем не представляется возможным, то подоб-
ные зависимости определяются эмпирически.
Вывод этих соотношений можно найти в работе [1]. Здесь
будет приведен вывод формулы собственных колебаний для про-
стейшего случая продольных колебаний в стержне или брусе.
Фиг. 178. Три способа подвески образцов.
При распространении продольной волны вдоль изделия подоб-
ной геометрической формы частицы перемещаются параллельно
длине изделия. Если изделие колеблется с любой из его харак-
теристических частот, то в результате в изделии образуются
стоячие волны. При защемлении одного из концов стержня этот
конец становится узлом стоячей волны независимо от вида ко-
лебаний. В стоячей волне расстояние между соседними узлами
или антиузлами всегда составляет половину длины волны. На
фиг. 178 показаны три способа подвески изделия и соответству-
ющие им различные виды продольных колебаний.
Для случая а
X = 2L	(9.1)
и
Скорость распространения продольных волн в стержне опре-
деляется по формуле
=	(9.3)
где L — длина стержня;
Е — модуль Юнга;
р — плотность материала.
Тогда уравнение (9.2) приобретает вид
(9.4)
232
Для случая б
X=L	(9.5)
Для общего случая стержня, защемленного в середине или
на расстоянии — от каждого конца:
4
где N — целое число, величина которого зависит от вида коле-
баний.
Для случая в
X = 4L,	(9.7)
откуда общее уравнение для стержня, защемленного на одном
конце:
где М — целое нечетное число, величина которого зависит от
вида колебаний.
Модули. Когда к любому изотропному телу прикладывается
напряжение, возможно возникновение деформаций двух видов:
удлинения или сжатия в сочетании с изменением поперечного се-
чения тела и относительного перемещения плоскостей, парал-
лельных направлению приложенного напряжения. Сопротивле-
ние материала возникновению этих деформаций выражается
упругими постоянными или модулями: модуль Юнга Е выражает
сопротивление материала продольной деформации (удлинению)
и модуль жесткости G характеризует сопротивление сдвигу.
Коэффициент Пуассона ц выражает отношение сужения попереч-
ного сечения тела к удлинению. Модуль Юнга, модуль жестко-
сти и коэффициент Пуассона связаны следующим соотношением:
£ = 2(1 — u)G.	(9.9)
Это выражение справедливо лишь для изотропного материа-
ла; оно неприменимо к таким материалам, как дерево и некото-
рые виды камня. Дополнительные модули упругости могут быть
вычислены по следующим формулам:
Ef = f2CP\	(9.10)
Es = flDP,	(9.11)
где Ef — динамический модуль упругости при изгибе;
Е3 — динамический модуль упругости при сдвиге;
233
Фиг. 179. Правило левой руки (а)
и возбуждение колебаний в об-
разце (б); (F >—направление дви-
жения; М — магнитное поле).
f — резонансная частота при изгибе;
/1 — резонансная частота при кручении;
С — коэффициент, зависящий от размеров и формы изде^
лия, вида колебаний и коэффициента Пуассона;
D — коэффициент, зависящий от размеров изделия и вида;
колебаний;
Р — вес изделия.
Коэффициенты С и D рассмотрены в работе Пикетта [2], где-
даются уравнения и графики1
для их определения.
Методы возбуждения колеба-
ний. При ударном методе воз-
никают, как правило, колеба-
ния нескольких собственных,
частот, в связи с чем получить
звучание чистого тона по это-
му методу невозможно. В на-
стоящее время разработаны-
методы возбуждения колеба-
ний с помощью вспомогатель-
ных вибраторов, таких как
пьезоэлектрический преобразо-
ватель, магнитострикционный
генератор колебаний [3] или
электромагнитный вибратор
[4]. Присоединение вспомога-
тельного вибратора может из-
менить собственную частоту
исследуемого изделия.
Традиционными методами?
возбуждения малых колебаний
являются электромагнитные
методы для магнитных материалов и методы наведенных токов
для немагнитных материалов, обладающих хорошей проводи-
мостью.
Так как в этих случаях не требуется непосредственного кон-
такта между изделием и системой возбуждения, то колебания
изделия происходят с собственной частотой. Для магнитных ма-
териалов область максимальных амплитуд колебаний распола-
гается между полюсами электромагнитной катушки, по которой
протекает переменный ток. Резонансная частота может быть
определена путем изменения частоты переменного тока, как
соответствующая максимальной амплитуде колебаний.
В немагнитных металлах, обладающих хорошей проводимо-
стью, колебания можно возбудить пропусканием переменного*
тока по катушке, расположенной вблизи изделия. В результате'
взаимодействия магнитного поля катушки с магнитным полем
вихревых токов, наведенных в изделии, возникает переменная.
234
во времени сила, вызывающая вибрацию изделия. Конкретное
конструктивное оформление этого метода зависит от очертаний
изделия и требуемого вида колебаний. Максимальная перемен-
ная сила возникает в !том случае, когда магнитное поле перпен-
дикулярно к направлению
наведенного тока, которое,
в свою очередь, параллель-
но катушке возбуждения.
Относительное направление
наведенного тока, магнитно-
го поля и возникающей си-
лы показано на фиг. 179.
Экспериментальные ме-
тоды определения констант
упругости твердых тел. Из-
меряя скорость распростра-
нения в данном изделии
Фиг. 180. Преобразование вида
колебаний.
продольных и сдвиговых
ультразвуковых волн, можно расчетным
путем определить кон-
станты упругости, используя следующие соотношения:
VL = К
1 — р-Е
(1 + [1)(1-2|л)р;
Уг=1/'-=1/Г_____________Е—
Т Г р V 2(1 + р)Р
(9.12)
(9.13)
Шнейдер и Бэртон [5] для определения постоянных приме-
нили способ вращающейся пластины. В соответствии с этим
способом измеряется изменение интенсивности пропущенной
ультразвуковой энергии в зависимости от изменения угла между
направлением падающего ультразвукового пучка и поверх-
ностью изделия.
На фиг. 180 показана качественная картина тех явлений,
которые происходят при падении ультразвукового пучка под
некоторым углом 9; в результате преобразования вида колеба-
ний возникают продольные и поперечные волны, которые на гра-
нице изделия испытывают преломление
sin 6 ___ у
sin ~~ ’
sin 6 _ v
sin 05 vs
(9.14)
(9.15)
где v — скорость распространения продольных волн в
первой среде;
vL и vs — скорость распространения соответственно про-
дольных и поперечных волн в изделии.
При увеличении угла 9 угол 6L также возрастает, и при не-
котором 6 = 67 угол 9ь становится равным 90°; таким образом,
235
угол 9' соответствует полному отражению продольных волн.
При дальнейшем увеличении угла 9 этот угол становится рав-
ным некоторому углу 9\ который соответствует полному отра-
жению сдвиговых волн. При этих условиях уравнения (9.14) и
(9.15) приобретают вид
Определяя экспериментально значения 9' и 9" и используя
выражения (9.16) и (9.17), можно вычислить значения vL и vs.
При падении ультразвукового пучка на переднюю поверх-
ность изделия волновые колебания частично отражаются и ча-
стично пересекают эту поверхность. Аналогично отражается
некоторая часть волновых колебаний, падающих на заднюю по-
верхность изделия. Вследствие этого в объеме изделия всегда
существуют волны, которые могут интерферировать, в резуль-
тате чего величина пропускаемой энергии проходит через опре-
деленные максимумы и минимумы. Интерференционные явления
создают значительные трудности при определении угла полного
отражения для продольных волн. В общем случае, однако, ин-
тенсивность, соответствующая углу полного отражения, практи-
чески равна нулю и составляет величину, намного меньшую, чем
интерференционный минимум. Кроме этого вида интерференции,
возникает также интерференция между продольными и сдвиго-
выми волнами, которая обусловливает другую серию максиму-
мов и минимумов.
Положение интерференционного максимума для продольных
волн определяется выражением
Ж = 2dcos9L.	(9.18)
Принимая во внимание уравнение (9.14), можно переписать
это выражение в следующем виде:
sin2® = f—У — (—Уж	(9.19)
\VLj \ 2d )
где X — длина волны в первой среде;
d — толщина изделия;
М — порядок интерференции.
Аналогичные соотношения для сдвиговых волн имеют вид
MXs = 2dcos6s	(9.20)
или
sin2 ? = f — Y — f AP.	(9.21)
\ vs J \ 2d /
236
Для случая взаимодействия продольных и сдвиговых волн
Af
--- = cos---------cos —
Хд	Xs
(9.22)
где Xs — длина сдвиговых волн в изделии;
— длина продольных волн в изделии.
Количество и расположение интерференционных максимумов
меняется в зависимости от толщины. На фиг. 181 показана кри-
вая пропускания для изделия из алюминия. Числа над интерфе-
ренционными максимумами ука-
ния для измерения упругих свойств
Фиг. 181. Кривая пропускания
для алюминия (толщина алю-
миния 0,813 мм, окружающая
среда—вода, частота—5 Мгц).
изделия:
1 — к генератору колебаний, 2 — вибро-
преобразователь, 3 — изделие, 4 — уси-
литель и выпрямитель, 5 — к регистри-
рующему прибору.
ции. На практике определение порядка интерференции является
трудной проблемой из-за отсутствия достаточно надежных ме-
тодов.
Значения постоянных, полученных способов вращающейся
пластины, приведены в табл. 33.
На фиг. 182 показана блок-схема оборудования, используе-
мого для проведения таких измерений. В эксперименте приме-
нялись ультразвуковые колебания с частотой 5 Мгц. Существует
два эффекта, которые затрудняют проведение подобной работы.
Первый эффект — отклонение ультразвукового пучка при про-
хождении через образец можно устранить путем соответствую-
щего смещения приемного преобразователя. Второй эффект
обусловлен тем, что ультразвуковой пучок в своем поперечном
сечении неоднороден, а обладает определенным диффракцион-
ным распределением интенсивности. Без-Бордили [7] и Сандерс
[8] на основании опытных данных показали, что выведенные
соотношения справедливы в том случае, если произведение тол-
щины изделия в сантиметрах и частоты в мегагерцах превышает
величину 4 Мгц-см. Шнейдер и Бэртон получили на алюминии
опытные данные, хорошо согласующиеся с теорией, при величине
этого произведения, равной 1,5 Мгц* см и более. Шнейдер и
Бэртон использовали подобный метод для измерения упругих
237
Таблица 33
Результаты экспериментального определения упругих постоянных некоторых
металлов по методу вращающегося диска
Материал	Среда погруже- ния	—4 v ♦ 10	в см/сек	• 10 5 в см/сек	v • 10 5 S в см/сек	£10 11 в дн/см2		(7-10 11 в дн/смг		Коэффициент Пуассона [х	d в мм
					Экспери - мент	Справоч- ник	Экспери- мент	Справоч- ник		
Алю-	н2о	15	7,05	2,82	6,45	6,96	2,14	2,37	0,40	1,6
миний	н2о	15	7,05	2,99	6,73	6,96	2,42	2,37	0,38	3,2
Медь	н2о	15	4,82	2,28	12,2	12,1 — 12,8	4,52	4,24	0,346	3,2
	СС14	9,22	5,96	2,26	12,3	12,1— 12,8	4,44	4,24	0,376	3,2
Сталь	н2о	15	6,15	2,84	18,4	19,2	6,73	7,79	0,364	1,6
	CeH5CF3	9,85	6,31	2,72	17,1	19,2	6,16	7,79	0,386	1,6
постоянных некоторых видов термореактивных и термопластам-
ных смол. Результаты этих измерений приведены в табл. 34.
Таблица 34
Результаты экспериментального определения упругих постоянных некоторых
термореактивных и термопластических смол по методу вращающегося диска
Материал	Среда погруже- ния	и-10—5 в см/сек	vL • 1 о 5 в см/сек	v • 10 5 S в см/сек	О *—' к —<« и	G-10 10 в дн/см2	Коэффици- ент Пуас- сона [X	d в мм
Melmac 1079*	CeH6CF3	0,985	3,69	1,72	12,1	4,44	0,360	1,6
Melmac 26-8В*	c6h5cf3	0,985	3,69	1,72	12,1	4,44	0,360	3,2
Melmac S-6003*	C6H6CF3	0,985	4,58	2,09	24,0	8,75	0,369	3,2
Стекло (специаль- ное) Стекло (оконное)	c6h5cf3	0,985	5,93	2,85	54,9	20,3	0,350	1,6
	CeH5CF3	0,985	6,79	3,26	71,6	26,6	0,344	3,2
Beetle 20RC-4*	CeH5CF3	0,985	3,96	1,74	12,6	4,55	0,381	3,2
Laminac 4116*	CeH5CF3	0,985	2,52	1,29	4,83	1,83	0,322	3,2
Люцит**	CH3OH	1,13	2,63	1,28	5,64	2,15	0,310	6,3
Полистирол** * Термореактив ** Термопластич)	CH3OH ;ные смолы, зые смолы.	1,13	2,30	1,18	3,91	1,48	0,322	6,3
Рейнольдс [6] использовал цилиндрические стержни, диаметр
которых был достаточно велик по сравнению с длиной волны,
238
а концы строго перпендикулярны оси стержня. К торцам стерж-
ня (фиг. 183) были прикреплены пьезопреобразователи. Пло-
щадь поперечного сечения преобразователей была приблизитель-
но равна площади поперечного сечения стержня. Короткий про-
дольный импульс излучающего преобразователя мог достигнуть
приемника по одной из траекторий, показанных на фиг. 184. Во
Фиг. 183. Устройство для измерения
скорости распространения ультразву-
ковых волн:
1 — детектор и предусилитель, 2 — видео-
усилитель, 3 — осциллоскоп, 4 — пусковой
импульс, 5 — линия задержки, 6— импульс-
ный генератор, 7 — излучающий вибропре-
образователь, 8 — изделие, 9 — приемный
вибропреобразователь.!
времени первый воспринятый
импульс — это импульс, про-
шедший через стержень по
траектории АВ. Импульс мо-
жет отразиться от цилиндриче-
ской стенки (траектория
CDE), что обусловлено рас-
хождением пучка. ।
Этот эффект задерживает
поступление импульса на
приемный преобразователь,
Фиг. 184. Распространение ультра-
звуковых волн в цилиндрическом из-
делии.
причем время задержки пропорционально увеличению длины
траектории CDE по сравнению с траекторией АВ. На фиг. 184-
видно, что это увеличение крайне мало и не имеет определенного
фиксированного значения. Единственным наблюдаемым эффек-
том является удлинение и искажение воспринятого импульса.
В результате отражения от стенок цилиндра в соответствии с
эффектом преобразования вида колебаний в стержне генери-
руются сдвиговые волны; при этом возникают вторичные про-
дольные волны с траекторией EGHI. Отраженные сдвиговые
волны возникают на стенке стержня в различных точках по всей
его длине. Угол, под которым эти волны пересекают стержень
в поперечном направлении, определяется следующим выраже-
нием:
SA = ± .	(9.23)
Sin Ут VT
Этот эффект задерживает поступление импульса на прием-
ник на строго определенное время, равное разности между вре-
менем прохождения импульса по траекториям GH и JH. По
239
траектории GH импульс распространяется со скоростью сдвиго-
вой волны, а по траектории JH — со скоростью продольной вол-
ны. Из фиг. 184 можно видеть, что
sin6 = ^.	(9.24)
Если диаметр стержня равен D, то
GH = —~ .	(9.25)
cos 0	7
JH = Dtgf).	(9.26)
Тогда время задержки
M = d(—(9.27)
I VT COS О	х 7
м =		(9.28)
Для данного стержня время задержки Д/ есть величина по-
стоянная, так как расположение точки отражения и преобразо-
вания вида колебаний не оказывает заметного влияния на об-
щую длину пути импульса. Между торцами цилиндра происхо-
дят многократные простые отражения импульса, которым соот-
ветствуют траектории АВАВ, АВАВАВ и т. д.
Импульс может также распространяться по любой комбина-
ции траекторий, описанных выше.
Импульсы, дошедшие до приемного преобразователя, усили-
ваются и представляются на экране осциллоскопа как функции
времени. Относительное время поступления различных воспри-
нятых импульсов можно измерить, и на основании этих данных,
при известных размерах стержня, можно вычислить скоростх!
распространения ультразвуковых колебаний [6].
Используя данные о плотности тела и скорости распростра-
нения волн, из уравнений (9.9), (9.12) и (9.13) вычисляют зна-
чения упругих постоянных и коэффициент Пуассона.
Затухание колебаний. Свободные колебания тела затухают
даже в том случае, когда это тело полностью изолировано от
окружающей среды. При этом некоторая доля энергии всегда
преобразуется в тепло. Различные процессы, в соответствии с
которыми происходит это преобразование энергии, собирательно
обозначаются термином «внутреннее трение». Коэффициент за-
240
тухания Q определяется следующим выражением при условии,
что затухание происходит достаточно медленно:
(9.29)
где W—полная энергия колебаний на единицу объема и на
один цикл колебаний;
AW— доля энергии на единицу объема и на один цикл ко-
лебаний, затрачиваемая на преодоление внутреннего
трения.
Для исследования процессов внутреннего трения разработа-
но большое количество экспериментальных методов, которые
можно разбить на следующие шесть групп:
1.	Определение постоянных затухания амплитуды свободных
колебаний. Этот метод заключается в определении времени, в
течение которого амплитуда колебаний уменьшится на опреде-
ленную величину. Отношение .амплитуд двух смежных во вре-
мени колебаний есть величина постоянная. Натуральный лога-
рифм этого отношения 6 (логарифмический декремент) прини-
мается в качестве меры внутреннего трения. Коэффициент зату-
хания Q и логарифмический декремент S связаны соотношением
Q = 4 •	(9.30)
О
Этот метод является наиболее целесообразным при крайне
низких напряжениях. Аппаратура проста и удобна в обращении.
Однако при этом методе внешние потери трудно преодолимы,
распределение напряжений неравномерно, изменение частоты
колебаний затруднено.
2.	Определение петли гистерезиса на кривой «напряжение —
деформация» в процессе вынужденных колебаний. По этому ме-
тоду во время циклического нагружения измеряют напряжения
и деформации. Площадь, образуемая замкнутой кривой на по-
строенном по результатам замеров графике, используется для
вычисления внутренних энергетических потерь. Этот метод наи-
более целесообразно применять при исследованиях, связанных
с высокими напряжениями; преимуществом его является более
равномерное распределение напряжений. Используемая аппара-
тура сложна и обращение с ней требует специальных навыков.
Точность метода низка; область частот ограничена малыми зна-
чениями.
3.	Определение резонансной кривой в процессе вынужденных
колебаний. В соответствии с этим методом изделие подвергается
воздействию переменной во времени силы, частота которой
варьируется; при этом измеряют амплитуду колебаний изделия.
В процессё измерений определяют значения двух частот, для
которых амплитуда равна половине резонансной амплитуды.
241
Чем ниже внутреннее трение в образце, тем острее резонансный
пик.
Если ДЕ — изменение наложенной частоты, необходимое для
изменения амплитуды от половины ее максимального значения-
по одну сторону резонансной частоты до половины ее макси-
мального значения по другую сторону, то отношение ДЕ/Е явля-
ется мерой внутреннего трения. По форме резонансной кривой
можно определить значение коэффициента затухания.
Q = —~,	(9.31>
^2—Л
где F— резонансная частота;
F\— частота, большая резонансной, с амплитудой, равной
0,707 амплитуды при резонансной частоте;
F2 — частота, меньшая резонансной, с амплитудой, равной
0,707 амплитуды при резонансной частоте.
Применяемая аппаратура проста, удобна в обращении и мо-
жет быть использована в широком диапазоне частот. По этому
методу потери на внутреннее трение можно определить в изде-
лии с поперечным сечением любой формы. Этот метод неприме-
ним, если логарифмический декремент велик или зависит от ча-
стоты либо от амплитуды. Паразитные потери трудно устано-
вимы.
4.	Определение поглощения энергии при вынужденных коле-
баниях. В этом случае определяют степень поглощения энергии
путем измерения мощности, подаваемой на вибратор, или по-
вышения температуры изделия. Определив эти величины и зная
частоту колебаний, можно вычислить емкость затухания &W.
Этот метод несложен, допускает исследования при высоких на-
пряжениях, но характеризуется низкой точностью результатов
и не пригоден для изучения материалов с малым внутренним
трением.
5.	Определение механического импеданса при вынужденных
колебаниях. В соответствии с этим методом колебания изделия
возбуждаются электромеханическим способом, и импеданс из-
делия по отношению к электромеханическому приводу измеря-
ется как функция частоты. Частотная зависимость импеданса
определяется также в том случае, когда изделие зажато так,
что его колебание невозможно. Разность этих двух ; величин
представляет истинный электрический импеданс (импеданс дви-
жения) , используемый для вычисления механического импедан-
са, если известна постоянная электромеханической связи. Прак-
тическое осуществление этого метода не связано с большими
трудностями, но точность метода низка, и непосредственная ка-
либровка затруднена. Этот метод неприменим, если логариф-
мический декремент велик, либо зависит от частоты или ампли-
туды.
242
6.	Определение постоянных, связанных с распространением
звуковой волны. Эта группа методов основана на наблюдении
за распространением по изделию звуковых волн, которое прово-
дится непосредственно или с помощью интерферометрических
средств. При непосредственном наблюдении используют звуко-
вые импульсы; в других случаях применяют стоячие волны. Эти
методы наиболее пригодны для очень высоких частот, но область
их использования ограничена низким уровнем напряжений. При
повышенных частотах крайне трудно подготовить изделия к
эксперименту, и расшифровка результатов часто ослож-
няется.
Внутреннее трение. Во всех случаях процессы, обусловлива-
ющие внутреннее трение, связаны с преобразованием механиче
ской энергии в тепловую. Один из таких процессов зависит от
упругих свойств материала. В металлах, однако, доминирующую
роль, как правило, играют термические потери. Зенер [9] рас-
сматривает несколько различных термических процессов, ре-
зультатом которых является переход механической энергии в
тепло. Изменения объема твердого тела всегда будут сопровож-
даться изменениями его температуры. Когда твердое тело под-
вергается сжатию, его температура повышается; растяжение
твердого тела сопровождается падением температуры. Сущест-
вуют также термические потери, обусловленные теплоотдачей в
окружающую среду. Другие виды термических потерь обсу-
ждаются в работах Ландау и Румера [10] и Гуревича [11].
Кэ [12] исследовал внутреннее трение, обусловленное «вяз-
ким скольжением» на границах кристаллов в поликристалличе-
ских металлах. Эксперименты показывают, что металл на гра-
ницах кристаллов ведет себя как вязкая среда. При деформа-
ции кристаллических тел протекают также еще два процесса,
связанные с внутренним трением. Первый процесс — это пере-
мещения кристаллов в зонах их беспорядочного расположения
(дислокаций), и второй—упорядочение структуры расположе-
ния атомов веществ, растворенных в металлах.
Наиболее прямой метод определения внутреннего трения за-
ключается в измерении отношения AW/W, где — это энер-
гия, рассеянная в процессе одного цикла напряжения, и W—
упругая энергия, запасенная в изделии в момент максимальной
деформации. Это отношение иногда называется «удельной емко-
стью затухания» или «удельной потерей» и может быть изме-
рено в расчете на один цикл напряжения; это измерение не свя-
зано с какими-либо предположениями относительно природы
внутреннего трения. Как было обнаружено, однако, полученное
значение в общем случае зависит от амплитуды и частоты цик-
лических напряжений и часто также от технологии изготовления
изделия.
Можно показать, что в процессе свободных колебаний изде-
лия амплитуда колебаний уменьшается за один период в
243
eN /2Mf раз, где N — показатель затухания колебаний, величи-
на М зависит от формы и массы изделия и f — частота колеба-
ний. Логарифмический декремент затухания в этом случае
В процессе вынужденных колебаний амплитуда будет сохра-
няться постоянной в том случае, когда поступление энергии с
вибратора полностью компенсирует потери энергии при затуха-
нии. Если Е — постоянный уровень энергии колебаний (пропор-
циональный квадрату амплитуды) и f\E — мощность, подводи-
мая от вибратора, где f — собственная частота изделия, то ем-
кость затухания
D =	.	(9.33)
Если подвод энергии прекращается, и амплитуда колебаний
через t сек падает от значения До до значения Ап, то емкость за-
тухания определяется из соотношения
D = —.	(9.34)
Одной из трудностей при измерении внутреннего трения по
резонансному методу является потеря энергии на опорах. Для
устранения этих потерь изделие подвешивают на тонких про-
волоках или нитях; однако и в этом случае в местах подвески
энергия рассеивается. Если принять необходимые меры пред-
осторожности для исключения всякого постороннего демпфиро-
вания, то резонансный метод дает возможность определить
характеристики внутреннего трения и упругие постоянные из-
делия.
Экспериментальные методы определения характеристик
внутреннего трения. Первые измерения внутреннего трения в
твердых телах с помощью резонансного метода были проведе-
ны Квимби [13].
Для возбуждения продольных колебаний им были исполь-
зованы кварцевые пьезокристаллы. Кристалл цементом подкреп-
лялся к одному торцу изделия, и амплитуда колебаний изме-
рялась с помощью диска Рэлея [14], подвешенного §близи дру-
гого конца. Исследования проводились на стержнях из меди,
алюминия и стекла при частотах порядка 40 килоциклов в се-
кунду. Вегель и Уолтер [15] при аналогичных исследованиях
применили продольные и крутильные колебания частотой от 100
до 10 000 гц; эксперименты также проводились на металлических
244
стержнях цилиндрической формы. Колебания генерировались
электромагнитным способом с помощью вихревых токов, наво-
димых на одном конце стержня; величина амплитуды определя-
лась током, возникающим в катушке, расположенной на дру-
гом конце стержня, которая колебалась в стационарном маг-
нитном поле.
Рэнделл, Роуз и Зенер [16] использовали подобный метод при
исследовании зависимости между внутренним трением и разме-
ром зерна.
Бэнкрофт и Джекобс [17] и Перфитт [18] использовали элек-
тростатический метод генерирования продольных колебаний в
Фиг. 185. Метод подвески изделия по Форстеру.
1 — изоляция, 2 — термопара, 3 — нагреватель.
металлических стержнях, причем амплитуда регистрировалась с
помощью конденсаторного микрофона *. Конденсаторный мик-
рофон работает в паре с генератором высокой частоты; путем
использования частотно-модулированного детектора могут быть
•измерены колебания, соответствующие среднему перемещению
поверхности порядка долей ангстрема.
В диапазоне частот от 12 до 120 килоциклов в секунду Нол-
ле [20] использовал резонансный метод, при котором против
никелевого стержня магнитострикционного осциллятора поме-
щалась резиновая пластинка. Наличие этой пластинки несколько'
сдвигало резонансную частоту никелевого стержня и расширяло*
резонансный пик.
Форстер [21] приводит описание устройства, с помощью кото-
рого можно быстро и точно измерить величины модуля упруго-
сти и коэффициента затухания. Испытываемое изделие подвеши-
вают на двух тонких проволоках (фиг. 185). Каждая проволока
соединена с пластинчатой пружиной, подсоединенной к электро-
динамической системе. Через нити подвески в изделии возбуж-
даются колебания резонансной частоты, которые затем переда-
ются на приемную систему, где преобразуются в электрические
* Описание электростатического генератора с конденсаторным микрофо-
ном для регистрации колебаний приведено Бордони [19]
245
колебания. Регистрируемый параметр пропорционален амплиту-
де колебаний.
Между модулем упругости и резонансной частотой колеба-
ний цилиндрического стержня существует следующее соотноше-
ние:
Е = 1,6388-10~8 (-^Пт)772 ^кГ/мм^’ (9.35)
тде L — длина стержня в см;
d — диаметр стержня в см;
Р — вес стержня в г;
F — резонансная частота в гц.
Измеряя резонансную частоту и ширину резонансного пика,
можно определить величину затухания по формуле
е = 1,814-^-,	(9.36)
где ДР — ширина резонансного пика в точке, где амплитуда
уменьшается до половины ее максимального значения (ширина
при половинной амплитуде).
Для определения ДР необходимо измерить две частоты, при
.которых амплитуда падает до половины своего значения при
резонансе.
Другой путь определения затухания заключается в измере-
нии времени, в течение которого амплитуда уменьшается вдвое
(время полуамплитуды). Это время tn связано с величиной за-
тухания следующим соотношением:
0 = 0^6931	(9.37)
Фасфельд [22] описывает устройство (фиг. 186) для измере-
ния внутреннего трения при низких наведенных напряжениях.
Устройство обладает простотой закрепления образцов, непро-
должительностью измерений и точностью не менее 1 %. Обра-
зец-стержень одинакового поперечного сечения подвешивается
на двух вертикальных проволоках. На катушку возбуждения по-
лается переменный потенциал, в результате чего в образце
наводятся вихревые токи. При взаимодействии поля магнита с
наведенными вихревыми токами возникает осевая сила, прило-
женная к одному концу образца. Результирующее движение
передается через образец с частотой переменного потенциала на
катушке возбудителя и со скоростью, равной скорости распро-
странения звука в образце.
На противоположном конце образца колебания вызывают
возникновение вихревых токов, которые наводят переменное на-
пряжение в детекторной катушке, окружающей этот конец
:246
затухания усилитель вибратора
2
2
для измерения-
Фиг. 186. Устройство
величины внутреннего трения:
/ — магниты, 2 — медные камеры, 3 — нити^
подвески, 4 — детекторная катушка, 5 — изде-
лие, 6 — катушка возбуждения.
образца. Наведенное напряжение усиливается и после выпрям-
ления подается на два отпирающих контура, подающих импульс
напряжения в момент падения величины выпрямленного сиг-
нала ниже некоторого определенного значения. Оба контура^
подсоединены к схеме счета.
Для измерения величины
помощью электронного уст-
ройства отключается, и ко-
лебания изделия становятся
свободными. По мере умень-
шения амплитуды свобод-
ных колебаний потенциал
на выходе усилителя падает
до некоторого заданного
значения, что вызывает сра-
батывание отпирающего
контура и включение счет-
чика. При дальнейшем зату-
хании колебаний и падении
выходного потенциала до
другого заданного значения
контур, что приводит к отключению счетчика. Таким образом,
счетчик регистрирует интервал времени, в течение которого про-
исходит заданное падение потенциала на выходе усилителя.
Емкость затухания связана с измеряемой величиной соотно-
шением
включается
D = log .	(9.38)'
где D — емкость затухания;
U\ — потенциал в момент начала работы счетчика;
U2 — потенциал в момент окончания работы счетчика;
f — частота колебаний;
t — интервал времени, регистрируемый счетчиком.
Другой метод исследования внутреннего трения заключается
в измерении ослабления волн напряжений в процессе их про-
хождения через твердое тело. Этот метод имеет следующие пре-
имущества: 1) на одном образце могут быть проведены испыта-
ния в большом диапазоне частот; 2) облегчается устранение*
потерь на опорах и 3) достижима весьма высокая степень точ-
ности при проведении испытаний в недисперсных средах.
Брэдфильд [23] установил, что с помощью ультразвуковых,
импульсов упругие постоянные металлов могут быть измерены
с точностью до 74000. Среди недостатков, присущих этому ме-
тоду, можно отметить следующие: необходимая аппаратура, как
правило, довольно сложна; не всегда можно быть уверенным,
что генерируется один определенный тип волн; в дисперсных
средах расшифровка результатов часто затруднена.
2477
Структурная зависимость. Емкость затухания зависит от
различных факторов, в том числе от внутреннего состояния из-
делия. На емкость затухания влияет величина деформации,
частота колебаний, температура, композиция, размер зерна, тер-
мическая обработка, старение, холодная обработка и величина
намагничивания для ферромагнитных материалов. Емкость
затухания сплава, как правило, меньше, чем емкость затухания
составляющих элементов. В композициях типа твердого раство-
ра емкость затухания уменьшается с увеличением концентрации
растворяющегося вещества, причем первые добавки наиболее
эффективны в этом отношении.
Снижение емкости затухания для стали с увеличением содер-
жания углерода было исследовано Хэтфильдом [24], Форстером
и Кестером [25] и Бриком и Филлипсом [26]. Влияние добавок
алюминия, цинка или олова к меди в области твердых раство-
ров было исследовано Гилле [27].
Выявление дефектов с помощью методов, основанных на
измерении характеристик затухания. Выявление дефектов
представляет особую область применения методов, основанных
на измерении характеристик затухания. Можно ожидать, что
любое отклонение от гомогенности увеличивает емкость затуха-
ния, так как в окрестностях дефекта будет рассеиваться энер-
гия или в результате концентрации напряжений, или вследствие
трения. Размер обнаруживаемого дефекта зависит от того,
какую долю составляет энергия, рассеянная в дефекте, по отно-
шению к общей энергии, нормально рассеивающейся в изделии.
Если изделие имеет цилиндрическую форму, то можно опреде-
лить расположение -трещины в изделии.
Изделие, свободное от напряжений, характеризуется одной и
той же величиной затухания во всех направлениях, изделие же,
в котором существуют напряжения или содержатся несплошно-
<сти, обладает анизотропией затухания.
Путем измерения величины затухания может быть получена
информация о происхождении дефектов, таких как закалочные
трещины; например, в стальных изделиях после закалки было
юбнаружено увеличение затухания. Это увеличение было вызва-
но образованием закалочных микротрещин, обусловленным
повышенной температурой закалки. Такие трещины обычно
-трудно выявляемы; известные трудности связаны также с опре-
делением времени, в течение которого эти трещины образуются.
Измерения характеристик затухания могут быть использованы
для определения режимов закалки и эффекта многократной
закалки.
Межкристаллитная коррозия увеличивает затухание, во мно-
гих случаях начало межкристаллитной коррозии может быть
установлено спустя несколько минут после начала коррозион-
ного воздействия.
Измерение характеристик затухания имеет одно важное пре-
1248
Фиг. 187. Процесс затухания коле-
баний в дефектном и доброкачествен-
ном стержнях:
1 — доброкачественный стержень, 2 — стер-
жень с трещиной.
имущество перед другими методами — коррозионный процесс
может быть прослежен на одном опытном образце, так как этот
метЗД не связан с разрушением образца.
Наиболее обширное исследование использования методов
измерения характеристик затухания для обнаружения дефектов
принадлежит Фроммеру и Мэррею [28]. Было обнаружено, что
поперечные и продольные колебания менее пригодны для этой
цели, чем крутильные колебания. Исследовались материалы в
виде слитков, поковок и выдавленных профилей. Этот метод был
использован для испытания
конических стержней из
магниевого сплава длиной
200 см, диаметром 19 см на
одном конце и 7,6 см на
другом. В средней части од-
ного стержня имелась про-
дольная трещина. В процес-
се испытаний была измере-
на емкость затухания при
основной частоте и при не-
скольких гармонически?;
частотах. На фиг. 187 пока-
заны результаты испытаний
доброкачественного изделия
и изделия с трещиной. При
использовании крутильных колебаний чувствительность метода
минимальна в случае расположения дефектов в осевой зоне
стержня.
Наличие малых трещин крайне резко сказывается на очерта-
ниях характеристической кривой затухания, и в некоторых слу-
чаях это служит основой надежных методов выявления устало-
стных дефектов. Затухание при больших деформациях крайне1
чувствительно к наличию трещин, что успешно используется для
обнаружения трещин в патронных гильзах. Метод заключается
в том, что в гильзе, открытый конец которой помещается в ра-
диальное поле электромагнита, наводятся вихревые токи, взаи-
модействие которых с магнитным полем вызывает продольные
колебания гильзы. В процессе испытаний измеряется мощность,
необходимая для создания напряжений, амплитуда которых со-
ставляет 700 кГ1см2\ резкое повышение мощности указывает на
наличие трещины.
Другие методы динамических испытаний. Известный интерес
представляет электронный сравнитель объемов [29] — кавито-
метр (фиг. 188), в результате применения которого значительно
возросла производительность контроля допусков головок ци-
линдров. Все полости определенного объема и формы имеют
собственную резонансную частоту. С помощью прибора сравни-
ваются собственные резонансные частоты двух полостей — эта-
249'
ки цилиндра, так и эталонной
Фиг. 188. Схема кавитометра:
1 — осциллятор-дискриминатор, 2 — при-
емный усилитель постоянного тока, 3 — ви-
бропреобразователь, 4 — полость, 5 — пла-
стина, 6 — микрофон, 7 — вход, 8 — выход.
.лонной полости известного объема и неизвестной полости, при-
чем разница в частотах соответствует определенной разнице
объемов: величина резонирующего объема обратно пропорцио-
нальна квадрату частоты.
Разность звуковых частот, преобразованная в разность элек-
трических частот, подается на прибор, шкала которого програ-
дуирована в единицах объема. Любое изменение окружающей
температуры и влажности в равной степени влияет на величину
периода собственных колебаний как полости исследуемой голов-
полости.
Для звуковых испытаний
бетона Лесли и Чизмен [30]
разработали прибор «Сони-
скоп» (фиг. 189). Сонископ
предназначен для измере-
ния групповой скорости зву-
ка в массивах бетона тол-
щиной до 15 м. Испытания,
проведенные на мостовых
сооружениях, плотинах, эс-
такадах и других бетонных
конструкциях показывают,
что этот прибор позволяет
сделать общую оценку каче-
ства бетона. Изменение ско-
рости распространения зву-
ка в бетоне во времени име-
ет особое значение при ис-
следовании характеристик
бетона; увеличение группо-
вой скорости указывает на
улучшение, а уменьшение —
на ухудшение качества бе-
тона.
Кеслер и Хигучи [31]
определяли прочность бето-
на на сжатие путем измере-
ния его звуковых свойств/
При этом измерялись модуль упругости и форма резонансной
кривой. На фиг. 190 показана блок-схема оборудования, приме-
няемого для этой цели. Исследовались образцы цилиндрической
формы диаметром 15 и 30 см. По данным испытаний были по-
строены серии кривых, на основании которых можно рассчитать
прочность бетона. Точность расчета находилась, как правило, в
пределах 5%. Эта точность могла быть получена даже при от-
сутствии данных о возрасте, составе бетона и содержании влаги
в нем.
В Стэнфордском Исследовательском Институте разработан
250
Фиг. 190. Блок-схема устройства для измерения
прочности бетона на сжатие:
1 — осциллятор, 2 — усилитель мощности, 3— возбудитель
колебаний, 4 — опоры, 5 — образец, 6 —- приемник, 7—
усилитель напряжения, 8 — вольтметр постоянного тока,
9 частотомер, 10 — осциллоскоп.
Фиг. 189. Схема «Соиископа»:
1— задержка, 2 — импульсный генератор, 3 — излучающий вибро*
преобразователь, 4 — приемный вибропреобразователь, 5 — нулевой
сигнал, 6 — мультивибратор, 7 — интегратор Миллера, 8 — строби-
рующий потенциометр, 9 — мультиар, 10 — усилитель, 11 — двойной
лучевой тетрод, 12 — контакт растянутой развертки, 13 — контакт
нормальной развертки, 14 — санатронный генератор развертки.
прибор для измерения прочности адгезионной связи. Принцип
действия прибора заключается в измерении резонансных харак-
теристик системы, состоящей из изделия и плотно прижатого к
нему пьезокристалла, посредством которого изделию сообща-
ются вынужденные колебания. Характеристики системы иссле-
дуются как функции частоты возбуждения, причем основное вни-
мание уделяется механическому резонансу системы. Область ча-
стот возбуждения выбирают так, чтобы возможные резонансы
совпадали с резонансами пьезопреобразователя. При плотном
контакте между преобразователем и изделием амплитуда и ча-
стота этих резонансов меняются, как показано на фиг. 191.
Фиг. 191. Идеализированные резонансные кривые:
а —исходная система, б — составная система; изменение массы и
жесткости влияют на частоту резонанса, в — составная система;
изменение величины потерь влияют на амплитуду резонанса.
Изменения массы системы и ее жесткости влияют на величину
частоты, при которой происходит резонанс, в то время как изме-<
нение величины потерь влияет на амплитуду резонансной кри<
вой. Изменение потерь в системе может служить показателем^
качества сцепления. Экспериментальные исследования подтвер-?
дили, что между показаниями прибора и характеристиками ка-j
чества сцепления существует определенная зависимость.
ГЛАВА 10
МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ
Несплошности магнитного материала, такие как раковины,
трещины и включения, вызывают искажение магнитного поля,
наведенного в изделии. Искажение магнитных силовых линий
объясняется тем, что несплошности обладают иными магнит-
ными свойствами, чем окружающий их материал. Все магнит-
ные методы испытаний основаны на применении устройств,
с помощью которых это искажение, часто называемое потоком
рассеяния, может быть измерено или обнаружено.
Наиболее простой способ обнаружения искажений магнит-
ного поля заключается в перемещении над намагниченным изде-
лием обыкновенного компаса. Стрелка компаса будет совпадать
с направлением магнитных силовых линий и таким образом
указывать на любые искажения поля. Существенными недостат-
ками этой методики являются низкая чувствительность и труд-
ности ее применения в крупномасштабном поточном производ-
стве.
Для сканирования изделий могут быть также использованы
искательные катушки. Когда магнитный поток «сцеплен» с иска-
тельной катушкой, в ней будет генерироваться потенциал при
наличии относительного перемещения изделия. и искательной
катушки. Искажение потока, обусловленное наличием дефекта,
будет изменять величину потенциала, наведенного в катушке.
Существует метод контроля труб, основанный на этом принципе.
Труба при помощи электрического тока намагничивается в про-
дольном направлении, и катушка перемещается вокруг внешней
поверхности трубы. Сообщается, что такая методика позволяет
различать внутренние и внешние усталостные трещины в стен-
ках трубы. Другим способом, с помощью которого можно обна-
ружить искажения магнитного поля, является использование
тонко размельченного магнитного порошка.
Метод магнитных частиц. Контроль с помощью магнитных
частиц является относительно удобным и простым методом обна-
ружения дефектов материала. Этот метод почти совершенно сво-
боден от ограничений в отношении размеров, формы, состава и
термообработки ферромагнитного изделия.
253
Контроль по методу магнитных частиц складывается из двух
основных этапов: намагничивание материала и нанесение маг-
нитных частиц. Тонко размельченные магнитные частицы, или
магнитный порошок, могут быть либо сухими, либо взвешенными
в жидкости. Если дефект является поверхностным или лежит
достаточно близко к поверхности, то там, где находится дефект,
возникает пара магнитных полюсов, которые действуют подобно
маленьким магнитам, удерживающим на поверхности маг-
нитный порошок; в результате образуется видимое изобра-
жение дефекта, определяющее его расположение и протяжен-
ность.
На чувствительность этого метода влияет состояние поверх-
ности контролируемого изделия; в наибольшей степени это отно-
сится к обнаружению подповерхностных дефектов. Поверхность
должна быть чистой, сухой и свободной от окалины или ржав-
чины. Обычно для подготовки поверхности к магнитному конт-
ролю достаточно обработать ее проволочными щетками либо
пескоструйным аппаратом. В случае крайне грубой поверхности
рекомендуется провести механическую обработку или шлифов-
ку изделия.
Поверхностные дефекты, как правило, вызывают обра-
зование порошковых рисунков с резкими очертаниями; на-
слоения порошка значительны 1И плотно сцеплены с поверхно-
стью.
Подповерхностным дефектам обычно соответствуют менее
резко очерченные рисунки, так как сцепление порошка с поверх-
ностью ослаблено. Несмотря на это, опытные контролеры могут
по виду изображения оценить характер дефекта. Вообще говоря,
все виды поверхностных и подповерхностных дефектов ферро-
магнитных материалов могут быть обнаружены с помощью
контроля по методу магнитных частиц. Этими дефектами явля-
ются закалочные, термические, шлифовочныеусталостные и
усадочные трещины, неметаллические включения, ковочные де-
фекты 1 2 и т. д.
На фиг. 192 и 193 показано поле рассеяния, вызванное
поверхностным и подповерхностным дефектами. Напряженность
поля рассеяния определяется большим числом факторов. Среди
этих факторов — величина намагничивания, магнитная прони-
цаемость материала и форма изделия, форма, размер, располо-
жение и ориентация дефекта. Размер дефекта, который может
быть обнаружен, зависит от напряженности поля рассеяния,
обусловленного дефектом. Напряженность быстро падает с уве-
личением глубины залегания дефекта под поверхностью. Глуби-
на залегания в отношении контроля по методу магнитных ча-
1 Шлифовочные трещины — трещины, возникшие в результате местного-
перегрева детали при шлифовке.
2 Ковочные дефекты — тонкие складки металла, сжатые между собой*
(«складки») или нахлестнутые одна на другую («нахлестки»).
254
стиц является фактором относительным. Дефект, глубина зале-
гания которого составляет 3,2 мм, относительно ближе к поверх-
ности в плите толщиной 50 мм, чем в пластине толщиной 6,4 мм
Шероховатость поверхности изделия при выявлении поверхност-
ных дефектов, как правило, не является проблемой, но в случае
выявления подповерхностных дефектов предпочтительно, чтобы
поверхность была гладкой. Сухой метод более чувствителен к
обнаружению подповерхностных дефектов по сравнению с мок-
рым.	-
Способы намагничивания изделия. Магнитное поле может
быть наведено в магнитном веществе одним из трех способов:
пропусканием электрического тока непосредственно по всему
Фиг. 192. Поле рассеяния, обус-
ловленное поверхностным дефек-
том.
Фиг. 193. Поле рассеяния, обус-
ловленное подповерхностным де-
фектом.
изделию или по его части, пропусканием электрического тока
через проводник, окружающий изделие либо контактирующий
с ним, и с помощью магнитов.
'Метод намагничивания изделия путем пропускания по нему
электрического тока известен под названием «циркулярное на-
магничивание». В некоторых случаях может оказаться невоз-
можным или непрактичным намагничивать все изделие в це-
лом. В этом случае изделие можно намагничивать пропусканием
электрического тока через какую-либо часть изделия с помощью
контактов. При этом всегда следует тщательно следить за тем,
чтобы область между контактами была достаточно чистой для
прохождения электрического тока большой силы. В противном
случае возможно возникновение дуги и прожог изделия; и во
избежание этого полезно использовать низковольтное оборудо-
вание. Ток можно включать только после того, как контакты
надежно присоединены к поверхности; отключать ток надо до
отсоединения контактов.
Другой метод намагничивания основан на том факте, что
при введении в соленоид изделия из ферромагнитного вещества
в нем наводится магнитное поле. Такой метод намагничивания
изделия обычно называется «продольным намагничиванием».
В производственных условиях удобным практическим способом
наведения продольного магнитного Доля является намотка на
255
Фиг. 194. Намагничива-
ние изделия с помощью
центрального провод-
ника.
изделие гибкого кабеля; чем меньше число витков, тем больше
необходимая величина намагничивающего тока.
Гибкий кабель широко используется для намагничивания
изделий больших размеров. Если изделие является пустотелым
(например труба), намагнитить его можно, пропуская ток по
центральному проводнику (фиг. 194). Деталь должна быть раз-
мещена как можно ближе к проводнику с током. Этот вид маг-
нитного поля обладает некоторыми
характеристиками как кругового, так
и радиального полей и носит название
«параллельного поля».
На одну и ту же область намагни-
чиваемого изделия могут быть нало-
жены одновременно два магнитных
поля; в этом случае возникает резуль-
тирующее магнитное поле, величина и
направление которого определяется
двумя наложенными полями. Резуль-
тирующее поле будет меняться как по
направлению, так и по величине, если
одна или обе составляющих поля яв-
ляются переменными.
При соответствующем соотношении
фаз может возникнуть результирующее поле, известное под наз-
ванием «вращающегося векторного поля». Теоретическим преи-
муществом магнитного контроля с помощью поля такого рода
является то, что магнитные силовые линии такого поля пересе-
кают большую ось почти всех дефектов под углом, наиболее
благоприятным для их обнаружения.
Для достижения максимальной чувствительности намагничи-
вать изделие надо так, чтобы направление магнитного поля
было перпендикулярно дефекту. Как видно из фиг. 195, с помо-
щью кругового магнитного поля можно обнаружить лишь тот
дефект, который расположен парааллельно оси изделия; про-
дольное магнитное поле выявляет поперечный дефект (фиг. 196).
Для намагничивания используется постоянный и переменный
электрический ток, причем интенсивность магнитного поля зави-
сит от величины тока. Напряжение источника тока должно быть
сравнительно низким в целях безопасности работы и сведения к
минимуму возможности повреждения изделия.
Постоянный ток создает магнитное поле, глубоко проникаю-
ющее в металл. Действие магнитного поля, создаваемого пере-
менным током, ограничено в силу скин-эффекта лишь поверхно-
стными слоями металла. Вследствие этого переменный ток на-
ходит наибольшее применение при выявлении поверхностных
дефектов.
Намагнитить изделие можно также, поместив его между по-
люсами постоянного магнита или электромагнита, имеющего
U-образную форму.
256
Если для намагничивания используется слабый ток, то на-
пряженность результирующего поля будет недостаточной для
образования четкого рисунка, характеризующего внутреннее
состояние материала. При слишком сильном токе образуются
плотные скопления частиц, что затрудняет расшифровку рисунка
или делает его неразличимым. Величина тока намагничивания,
используемого при контроле сварных швов, колеблется от 600 до
2000 а в зависимости от толщины изделия и расстояния между
Фиг. 195. Циркулярное
намагничивание для вы-
явления продольного де-
фекта :
1 — направление тока, 2—по-
перечная трещина (не обна-
руживается), 3 — трещина
под углом 45° (обнаружи-
вается), 4 — продольная тре-
щина (обнаруживается),
5 — магнитные силовые ли-
нии.
Фиг. 196. Продольное на-
магничивание для вы-
явления поперечного де-
фекта:
/— направление тока, 2— по-
перечная трещина (обнару-
живается), 3 — магнитные
силовые линии, 4— соленоид,
5 — трещина под углом 45°
(обнаруживается), 6 — про-
дольная трещина (не обна-
руживается).
электродами. Во многих случаях величина намагничивающего
тока устанавливается нормами, стандартами или инструкциями,
прилагаемыми к дефектоскопическому оборудованию. При от-
сутствии подобных рекомендаций величину тока намагничивания
надо определить экспериментально.
Источниками постоянного тока могут служить батареи, ге-
нераторы или двухполупериодные выпрямители переменного
тока; пульсирующий переменный ток можно получить однополу-
периодным выпрямлением однофазного переменного тока. В ка-
честве низковольтных источников тока большой силы могут
быть использованы мотор-генераторы, применяемые при сва-
рочных работах; максимальная сила тока составляет в этом
случае около 300 а, однако путем намотки на изделие гибкого
кабеля достаточной протяженности число ампер-витков может
быть увеличено до 1200 или более. Последовательное соедине-
ние нескольких генераторов позволяет получить ток большой
величины.
Постоянное и остаточное намагничивание. Наносить магнит-
ные частицы можно в момент протекания намагничивающего
тока или после его отключения. Первый метод носит название
метода постоянного намагничивания, второй — метода остаточ-
9 Испытания без разрушения	257
ного намагничивания. В первом случае процесс намагничива-
ния протекает одновременно с нанесением индикаторной среды;
во втором случае притяжение, ориентация и удержание маг-
нитных частиц обусловлены только остаточным магнетизмом.
Метод постоянного намагничивания является наиболее чувст-
вительным.
К недостаткам его следует отнести большую вероятность
появления ложных дефектов из-за возникновения в момент про-
текания электрического тока полей утечки, не обусловленных
дефектами. Это особенно справедливо в том случае, когда из-
делие намагничивают пропусканием тока по проводнику, об-
мотанному вокруг него. Остаточное магнитное поле слабее
поля, создаваемого в процессе протекания тока; вследствие
этого метод остаточного намагничивания характеризуется мень-
шей чувствительностью. Однако в этом случае возможность
образования ложных дефектов практически исключена.
Магнитные частицы. Индикаторная среда, используемая при
сухом методе контроля, представляет собой тонко размельчен-
ный ферромагнитный порошок, обладающий высокой магнит-
ной проницаемостью и малой коэрцитивностью. Эти частицы
могут быть соответствующим образом обработаны, чтобы при-
дать им большую подвижность, и окрашены для обеспечения
максимального цветового контраста между индикаторной сре-
дой и контролируемым изделием. Излишний порошок удаляют
слабой воздушной струей.
При влажном методе контроля индикаторной средой служат
тонко размельченные частицы черной или красной окиси же-
леза, взвешенные в легких маслах или в воде. Эту суспензию
наносят на поверхность контролируемого изделия либо с по-
мощью набрызгивания, либо погружением. Иногда вместо обыч-
ного магнитного порошка используется флуоресцирующий.
В этом случае должно быть предусмотрено специальное обо-
рудование для визуального исследования поверхности в ультра-
фиолетовых лучах. Применение флуоресцирующих магнитных
порошков облегчает контроль изделий с грубо обработанной
поверхностью, а также обеспечивает более .высокую чувстви-
тельность, особенно при выявлении подповерхностных де-
фектов.
Сухой метод дает лучшие результаты при выявлении глу-
боко залегающих подповерхностных дефектов. Сухие магнит-
ные порошки следует применять при контроле изделий с грубой
поверхностью, так как они в меньшей степени задерживаются
поверхностными неровностями. Для сообщения сухим частицам
большей подвижности порошок распыляют в виде облака.
Иногда для этой же цели изделие при осаждении на него рас-
пыленных в воздухе магнитных частиц встряхивают. Ускорить
появление изображений можно путем применения переменных
магнитных полей, образованных пульсирующим током. Фикси-
258
рование магнитных изображений может быть осуществлено
с помощью фотографирования или путем переноса, т. е. нало-
жением на индикацию дефекта прозрачной липкой ленты, ко-
торую затем вместе с приставшими к ней магнитными части-
цами переносят на белую бумагу.
В некоторых случаях возникает необходимость снять оста-
точное намагничивание (например, при контроле деталей са-
молета, где наличие магнитного поля может вызвать ошибки
в показаниях компаса или чувствительных электрических при-
боров). Для достижения этой цели изделие подвергают дей-
ствию переменного магнитного поля, непрерывно уменьшаю-
щегося по величине. В большинстве случаев для размагничи-
вания с успехом может быть применен переменный ток часто-
той 60 гц.
Рекомендации по применению метода магнитных частиц.
Контроль по методу магнитных частиц обладает следующими
преимуществами: 1) этот метод может быть применен для кон-
троля любого изделия, изготовленного из магнитного мате-
риала; 2) с помощью контроля по методу магнитных частиц
могут быть с достаточной степенью надежности обнаружены все
трещины и дефекты типа трещин, расположенные на поверх-
ности или в достаточной близости от нее; 3) портативность
используемого оборудования позволяет применить этот метод
контроля почти повсеместно; 4) вследствие невысоких требова-
ний к квалификации обслуживающего персонала и к применяе-
мому оборудованию затраты на контроль, как правило, низки
по сравнению с другими методами контроля.
Контроль по методу магнитных частиц следует проводить
всегда до кислотного травления. Травление способствует рас-
крытию узких дефектов, делая их шире и в то же время сгла-
живая острые углы. Такая форма дефекта не является благо-
приятной в отношении надежности магнитного контроля. Воз-
можность выявления волосовин зависит от характера мате-
риала и очертаний дефекта. Ковочные складки обычно не
имеют резких очертаний, поэтому их выявление с помощью
магнитных частиц затруднено. Задиры и царапины всегда име-
ют острые края^ и направление намагничивания не является
определяющим фактором. Расслой может быть обнаружен лишь
в том случае, если обусловленное этим дефектом поле рассея-
ния выходит на поверхность изделия; практически это означает,
что магнитный метод позволяет исследовать только кромки пла-
стин. Подповерхностные дефекты в сварных швах, такие как
несплавление, непровар, пористость, шлаковые включения, хо-
лодные спаи и усадочные трещины, могут быть обнаружены в
тех случаях, когда эти дефекты залегают неглубоко.
Вероятность обнаружения дефекта мала, если глубина за-
легания превышает 12,5 мм и дефект обладает небольшой про-
тяженностью.
9*	259
Наилучшие результаты достигаются в том случае, если де-
фекты залегают не глубже 6,35 мм под поверхностью.
В процессе контроля по методу магнитных частиц регистри-
руются все искажения магнитного поля изделия независимо от
того, вызваны эти искажения дефектами или нет; поэтому опе-
ратор должен обладать достаточным опытом по расшифровке
результатов проведенного контроля.
Среди недостатков этого метода контроля необходимо отме-
тить следующие. Контроль по методу магнитных частиц применим
только к изделиям из магнитного материала. На вероятность
обнаружения дефекта влияет большое число факторов, в том
числе очертания дефекта, глубина залегания, направление и
ориентация.
При контроле возможно появление изображения ложных де-
фектов, обусловленных, например, - образованием поля рассея-
ния в месте резкого изменения профиля изделия. Плотно
сцепленная с поверхностью изделия пленка окалины также мо-
жет вызвать появление ложных изображений. Подобные эффек-
ты могут быть обусловлены внезапным изменением магнитной
проницаемости материала изделия, что имеет место, например,
в результате холодной обработки.
При контроле сварных швов изображения ложных дефектов
в виде линий часто возникают на границе основного и наплав-
ленного металла, а также по краям обезуглероженной зоны. Это
указывает на резкое изменение магнитной проницаемости. По-
добные изображения неизменно возникают в месте соединения
двух- разнородных металлов, обладающих различной магнитной
проницаемостью. Другой вид ложных изображений, называемый
часто магнитной записью, возникает при перемещении металли-
ческого предмета по поверхности намагниченного изделия.
Наличие рисунка, образованного магнитными частицами, не
всегда указывает на дефекты в металле. Оператор должен
обладать достаточной квалификацией, чтобы расшифровать изо-
бражения, указывающие на дефекты. Результаты, полученные с
помощью этого метода, являются исключительно качественными
и позволяют произвести лишь оценку размеров и серьезности
дефекта.
Хэррер [1] предлагает следующий опытный образец для оп-
ределения различных параметров контроля по методу магнит-
ных частиц. На одной стороне плиты толщиной 25 мм и раз-
мером 600x600 мм проделан ряд пропилов различной глубины,
шириной 0,8 мм, которые затем закрываются листом, привари-
ваемым к плите.
Магнитный контроль осуществляется на противоположной
стороне плиты. Такое решение не является оптимальным, од-
нако доказано, что опытный образец подобного типа позволяет
произвести оценку чувствительности метода.
260
Стандарты испытаний по методу магнитных частиц. Для
стандартизации методики контроля Американское общество i о
испытанию материалов выпустило стандарт [2] на проведение
контроля с помощью сухих ферромагнитных порошков
(Е 109-55Т) и подготовило серию экспериментальных сравни-
тельных фотографий, используемых при расшифровке результа-
тов магнитного контроля отливок из ферритных материалов
(Е125-56Т). Набор этих фотографий охватывает большинство
дефектов в различной степени их проявления, которые могут
быть обнаружены с помощью сухих магнитных порошков. На-
бор включает сорок семь фотографий, изображающих линейные
Фиг. 197. Сравнительная фотография; пористость.
несплошности (усадочные трещины), усадочные раковины,
включения, дефекты, обусловленные внутренним отбеливанием
и нерасплавленными жеребейками, пористость, дефекты свар-
ных швов, ложные дефекты и магнитные аномалии.
Примеры сравнительных фотографий показаны на фиг. 197
и 198.
Некоторые стандарты, позволяющие оценить результаты маг-
нитного контроля, обсуждаются в работе Кейна [3]. Дефекты
очень малых размеров типа трещин, сосредоточенные в зонах
высоких напряжений и ориентированных соответствующим об-
разом, могут вызвать серьезные аварии при эксплуатации; чем
уже трещина, тем больше концентрация напряжений в районе
дефекта. Отливка с дефектом, показанная на фиг. 199, а, в про-
цессе работы будет повреждена. В то же время трещины на внут-
ренней поверхности отливки (фиг. 199, б) не оказывают вредно-
го влияния на работоспособность детали. Оценка приемлемости
или неприемлемости дефектов, произведенная на фиг. 200, все-
261
цело основывается на расположении и ориентации дефекта.
Некоторые рекомендации по оценке результатов магнитного
контроля коленчатых валов приведены на фиг. 201. В некото-
рых случаях могут быть приемлемыми даже довольно большие
трещины (фиг. 202), например, в перемычке и полках двутав-
рового сечения шатуна, если эти дефекты не располагаются
вблизи сочленения двутаврового профиля с кольцевым. Любой
вид 'поперечного дефекта в выступающих частях двутаврового
сечения является потенциально опасным.
Фиг. 198. Сравнительная фотография; включения в сварном
шве.
Кейн [3] подразделяет- магнитные индикации на две катего-
рии:
опасные и доброкачественные. Относительно опасными маг-
нитными индикациями являются:
1)	индикации на деталях постоянного сечения, перпендику-
лярные растягивающим напряжениям или параллельные изги-
бающим или крутящим напряжениям;
2)	индикации, обусловленные дефектами в углах (см.
фиг. 199); такие индикации особенно опасны, если дефект рас-
положен в выступающей части детали и перпендикулярен на-
правлению напряжений; внутренние углы, образованные отвер-
стиями (см. фиг. 199 и 201), попадают в эту категорию;
3)	индикации в местах резкого изменения профиля детали
(см. фиг. 201); особенно опасны окружные индикации;
4)	индикации (особенно поперечные) на кромках элементов
жесткости, опорных кронштейнов или перемычек.
Сравнительно доброкачественными индикациями (в зонах
низких напряжений) являются:
262
1)	индикации на деталях постоянного сечения, параллель-
ные растягивающим напряжениям или перпендикулярные изги-
бающим или крутящим напряжениям;
2)	индикации (особенно продольные) на пластинчатых эле-
ментах, усиленных ребрами жесткости;
3)	индикации, удаленные от различного рода выступающих
элементов детали или других концентраторов напряжений (см.
фиг. 201), в особенности, если они являются продольными; при-
емлемость окружных индикаций та-
кого вида зависит не только от дли- _	?__________
ны и глубины несплошности, но 1	-у/|
также и от конструкции де- х-^|	|5
ТаЛп	'	fXJ
Другие методы магнитного кон-	/АГк
троля. Для обнаружения полей рас- Г\с- -	^/|
сеяния используются также иска'
тельные катушки и щупы. Высоко-	j
чувствительным устройством, пред-
назначенным для измерения маг-
Фиг. 199. Оценка качества литых де-
талей при контроле по методу маг-
нитных частиц; трещина между дву-
мя отверстиями будет расти и вызо-
вет усталостное разрушение детали;
дефекты на внутренней поверхности
этой же самой отливки не приведут
Фиг. 200. Оценка качества
поршней при контроле по
методу магнитных частиц;
оценка приемлемости или
неприемлемости дефекта
всецело основана на его
месторасположении и ори-
ентации; значком X слева
отмечена область, где тре-
щины недопустимы:
1 — дефект недопустим, 2 — де-
фект допустим, 3 — дефект до-
пустим. если не достигает сте-
нок поршня.
к поломке детали при эксплуатации.
нитных потоков рассеяния, является щуп Форстера [4]. Фальке-
вич и его сотрудники описывают магнитографический метод не-
прерывного контроля стыковых сварных швов [5]. В этом случае
величина потока рассеяния регистрируется на магнитной ленте.
Лента пропускается через воспроизводящую головку; наведен-
ная э. д. с. после усиления подается на вход осциллоскопа.
Величина дефекта может быть определена по форме изображе-
ния на экране осциллоскопа. По сообщению авторов, этот метод
позволяет обнаружить трещины, несплавления, пористость и
включения.
Подобный метод использован также Форстером [6]. Намаг-
ниченное изделие приводится в тесный контакт с пропитанной
263
ферромагнитным порошком резиновой лентой. Эта лента затем
сканируется щупом Форстера. Изменения наведенного потока
рассеяния воспроизводятся на экране электронно-лучевой труб-
ки. Лента пропускается за-
тем через стирающее
устройство, что допускает ее
повторное использование.
Фиг. 202. Оценка качества шату-
нов при контроле по методу маг-
нитных частиц; допустимость того
или иного дефекта зависит от его
расположения и ориентации:
1 — дефект недопустим, 2 — дефект до-
пустим.
Фиг. 201. Оценка качества колен-
чатых валов при контроле по ме-
тоду магнитных частиц:
1 — допустимые продольные или попе-
речные индикации длиной от 25 до
38 мм и глубиной 1,6 мм, удаленные
от галтелей и смазочных отверстий,
2— индикации на галтелях, допустимые
лишь в том случае, если их длина не
превышает 6,5 мм, 3 — индикации у
смазочных отверстий недопустимы,
если их длина превышает 12 мм.
Щуп Форстера. Щуп Форстера применяется для сортировки
сталей различных марок. Постоянный стержневой магнит при-
жимается к поверхности изделия и затем отводится пружиной
в крайнее удаленное от изделия положение, в котором после
этого магнит не оказывает никакого влияния на показания двух
Фиг. 203. Шуп Форстера:
/ — магнит, 2 — держатель магнита,
3 — лист, 4 — головки щупа, 5 — регистри-
рующий прибор.
головок щупа, размещенных
вблизи поверхности. Оста-
точная напряженность маг-
нитного поля, величина ко-
торой зависит от марки ста-
ли, регистрируется соответ-
ствующим прибором (фиг.
203).
Кодис и Шоу [7] описы-
вают устройство для обна-
ружения трещин в ружей-
ных стволах. Ружейный
ствол намагничивается цир-
кулярным способом путем
пропускания тока по про-
воднику, размещенному в
сверлении ствола. Затем внутренняя поверхность ствола иссле-
дуется искательной катушкой. Фэрроу [8]—[11] описывает
методику и оборудование для испытания магнитных матери-
алов.
В своих последних работах Форстер использовал для обна-
ружения и измерения магнитных полей эффект Холла, применив
264
детекторы на основе арсенида индия; Кук [12] в Англии для
этих же целей использовал антимонид индия.
Контроль плакированных изделий. Хромирование высоко-
прочных сталей может привести к их последующему растрески-
ванию. В некоторых случаях растрескивание может произойти
в процессе плакировки. Необходимость тщательного контроля
определяется тем обстоятельством, что трещины скрыты под
слоем металла покрытия. Стейндорф и Коген [13] провели ис-
следования для определения влияния толщины покрытия на
чувствительность контроля с помощью магнитных частиц. Не-
сколько стержневых образцов диаметром 9,5 мм, прошедшие
испытания на усталость, были сварены встык. Быстрое охлаж-
дение после сварки привело к возникновению ряда новых и к
углублению старых трещин. Сваренный стержень был хроми-
рован и подвергнут контролю. Процесс хромирования произ-
водился в три этапа; общая толщина покрытия составляла
0,1675 мм. Образец намагничивался соленоидом, по которому
пропускался постоянный ток. После магнитного контроля было
проведено металлографическое исследование; ширина трещин
определялась при стократном увеличении. Результаты исследо-
вания представлены в табл. 34. На основании полученных дан-
ных можно сделать вывод, что наличие покрытия оказывает
влияние на чувствительность магнитного контроля, проводи-
мого для выявления дефектов в основном металле; ширина
трещины мало влияет на эффективность подобного метода
контроля, в то время как глубина трещины является в этом
отношении наиболее важным фактором, и на практике пре-
дельной, с точки зрения эффективности контроля, является
толщина покрытия, равная 0,114 мм.
Магнитный анализ. Метод магнитного контроля, известный
под названием «магнитный анализ», в настоящее время широ-
ко используется в металлургии для контроля качественных
отклонений и отсутствия дефектов в прокатных прутках и тру-
бах.
Магнитный анализ заключается в исследовании колеба-
ний магнитных свойств сталей с помощью магнитных измере-
ний; изменения физических свойств и химического состава
влияют на магнитные свойства ферритных материалов. Нали-
чие остаточных поверхностных напряжений может также из-
менить качественные и количественные характеристики
магнитных свойств. При проведении магнитного анализа изде-
лие помещается в переменное магнитное поле и наблюдается
влияние изделия на величину напряжения, наводимого этим
полем. Изменения напряжения обусловлены свойствами и со-
стоянием изделия. Необходимым условием надежности подоб-
ного анализа является полная уверенность в том, что все
свойства испытуемых изделий, за исключением исследуемых,
которые могут влиять на магнитные свойства, сохраняются
265
g	Таблица 34
Влияние толщины хромистого покрытия на результаты контроля по методу магнитных частиц
Размеры дефекта (трещины) в мм		Ток в а									
		350	|	520		|	800	|			|	1100		|	2600	
Ширина	Глубина	Толщина покрытия в мм									
		0,056	0,056	0,11 2	0,056	0,112	0,1 68	0,112	0,168	I 0,112	0,168
0,143	1,39	Различим	Различим	Различим	Различим	Различим	—	Различим	Различим	Различим	Различим
0,0025	0,097	♦	—	—							
0,0886	0,48	Различим	Различим	—	»	Плохой различим	—		Плохо различим		Плохо различим
0,036	0,086	Плохо различим	Плохо различим	—	»	Различим	—	»	Различим	»	
0,064	0,34	Плохо различим	Плохо различим	—	»	—	—	—	—	»	
0,0127	0,97	Различим	Различим	Различим		Различим	—	Различим	Плохо различим	»	Различим
0,015	0,1 1	»	»	—	»						
0,0077	0,19		»	—	»	—	—	—	—	»	Плохо различим
0,0025	0,127		»	—	»	—					
0.01	0,315	»	»	Различим	»	Различим	—	Различим	—	»	Различим
0,015	0,43	»	»	—	»	»	—	»	Различим	»	»
0,0025	0,115		»	—	»	»	—	»	—	»	
0,0025	0,092	—	—	—	»						
узкая	0,1 1	—	—	—							
узкая	0,087	—	—	—	»	Плохо различим	—	Плохо различим	—	Пло.о различим	
0,1 1	2.85	Различим	Различим	Различим	»	Различим	Разли- чим	Различим	Различим	Различим	»
* Дефект не обнаружен.											
постоянными; например, прутки и трубы должны иметь постоян-
ное поперечное сечение, диаметр, форму и толщину стенки;
процесс изготовления должен сохраняться неизменным. Взаимо-
связь между остаточными напряжениями и изменением магнит-
ных свойств используется как при выявлении дефектов, так и
при сортировке материала. В процессе холодной обработки на-
личие дефекта вызывает местное искажение картины распреде-
ления остаточных напряжений. Это искажение, в свою очередь,
ведет к изменению магнитных свойств в окрестностях дефектной
зоны, что дает возможность выявить дефект. Сортировка мате-
риалов может основываться на общих или местных изменениях
в распределении остаточных напряжений.
Величина наведенного намагничивания зависит от электри-
ческих и магнитных свойств изделия, частоты и напряженности
переменного магнитного поля. Изделие также оказывает воз-
действие на характеристики поля намагничивания.
Это обстоятельство иногда может быть использовано для
того, чтобы усилить или ослабить влияние условий или свойств,
важных с точки зрения эффективности испытаний. Частота
поля намагничивания может быть различной. Однако в боль-
шинстве случаев используется намагничивающее поле часто-
той 60 гц, так как эта частота достаточна низка, чтобы обес-
печить проникновение поля намагничивания в глубь материа-
ла при контроле поверхности, и в то же время достаточно
высока для проведения надежных измерений в процессе кон-
троля. Напряженность поля намагничивания — одна из тех ве-
личин, которые при проведении магнитного анализа могут
изменяться в широких пределах. При выявлении дефектов,
например, хорошие результаты часто получаются в том случае,
когда изделие намагничено не до насыщения; при этом на-
личие в намагниченном изделии дефектов определенного вида
может вызвать его насыщение, что приводит к искажению фор-
мы волны на экране осциллоскопа. При помещении в одно и то
же магнитное поле различных материалов форма соответству-
k ющих осциллограмм обычно отличается как по амплитуде и
фазе составляющих основной частоты, так и по характерным
искажениям формы волны. Амплитуды и фазы можно изме-
рить с помощью обычных электронных схем. Исследование
искажений формы осциллограммы, как правило, требует спе-
циального электронного оборудования. Колебания немагнит-
ных свойств или других условий испытаний могут вызвать
искажения, которые в одной части осциллограммы наведенного
напряжения более значительны, чем в другой. Хотя в общем
случае невозможно установить соотношение между определен-
ной формой осциллограммы и изменением того или иного
свойства или условия, было обнаружено, что изменения многих
свойств могут быть определены измерениями, проводимыми в
сравнительно узких областях осциллограммы.
267
На фиг. 204 представлена осциллограмма наведенного напря-
жения при частоте 60 гц\ искажения осциллограммы являются
типичными. Амплитуда и фаза любой точки осциллограммы мо-
жет быть измерена с помощью схемы, изображенной на фиг. 205.
Стробирующий контур обеспечивает подачу («запрос») сигна-
ла со вторичной катушки лишь
в короткие промежутки времени
/	в течение каждого периода, при-
1 *	\	чем положение этой подачи по
—j---------------------.— периоду может регулироваться
у	оператором. С выхода усилителя
\ У	стробирующего контура подается
короткий импульс, пропорцио-
Фиг. 204. Типичная форма осцил- нальный амплитуде наведенного
лограммы при магнитном анализе, сигнала. Этот импульс вторично
усиливается и измеряется лампо-
вым вольтметром. Подобный метод анализа осциллограмм
используется главным образом для сортировки изделий и ма-
териалов.
а — одноточечная схема, б — многоточечная схема, 1 — входной усилитель, 2 — строби-
рующий усилитель, 3 — импульсный усилитель, 4 — измерительный усилитель, 5 — свето-
вой усилитель, 6 — индикаторный усилитель, 7 — микшерный усилитель, 8 — генератор
строб-импульсов, 9 — вторичная обмотка, /0 — первичная обмотка, // — регулятор тока,
12 — регулятор напряжения, 13 — индикатор, 14 — регистрирующие приборы, 15 — уста-
новка нуля, 16 — Стандарт 1, /7 — Стандарт 2.
Для выявления дефектов обычно используется так называе-
мый нулевой метод (метод самосравнения), в соответствии с
которым одно сечение изделия сравнивается с другим сечением
268
этого же самого изделия. Индикаторным сигналом служит диф-
ференциальный сигнал, возникающий в результате такого срав-
нения. В этом случае одинаковые сечения, свободные от дефек-
тов, дают приблизительно прямую линию. Способ исследования
дифференциального сигнала, регистрируемого на экране осцил-
лоскопа в виде волновой картины, аналогичен описанному
выше. При этом исследуется только та часть дифференциаль-
ной волны, которая содержит ценную, с точки зрения контроля,
информацию. Используемая схема подобна предыдущей, за
исключением того, что она обладает более высоким быстро-
действием при обнаружении дефектов малой длины. Комбини-
рованием одной первичной и нескольких вторичных • катушек
можно одновременно выявлять дефекты и регистрировать ко-
лебания физических, химических или металлургических
свойств.
Магнитный анализ используется для проведения испыта-
ний прутков, труб и проволоки всевозможных форм и размеров.
С его помощью могут быть обнаружены трещины, складки и
закаты, если эти поверхностные дефекты имеют глубину не Ме-
нее чем 0,025 мм на каждые 1,6 мм диаметра изделия.
В зависимости от вида материала могут быть выявлены и
более мелкие дефекты. С помощью магнитного анализа можно
сортировать по маркам и степени закалки стали, состав кото-
рых отличается ца несколько десятых процента по содержанию
углерода или легирующего компонента, а также сортировать
изделия, твердость которых различается всего лишь на 2—3 де-
сятых по шкале Роквелла С. Магнитный анализ позволяет
также сортировать изделия, незначительные отклонения в тех-
нологии изготовления которых вызвали колебания величины
остаточных напряжений. Магнитный анализ используется для
выявления поверхностных дефектов на внутренней и внешней
поверхностях бесшовных труб. В сварных трубопроводах с по-
мощью этого метода испытываются сварные швы, а также
обнаруживаются включения и прожоги.
Измерение физических свойств. Магнитные испытания могут
быть также использованы для определения физических свойств
магнитного материала. Было обнаружено, что между магнит-
ными свойствами материала и его физическими характеристи-
ками, такими как твердость, прочность и состав, существует
определенное соотношение. В наиболее распространенном типе
устройства, применяемого для подобных измерений, исполь-
зован принцип трансформатора.
Для создания переменного магнитного поля в изделии слу-
жит катушка возбуждения; замеряемым параметром является
напряжение, наведенное во вторичной катушке, которая раз-
мещается вокруг изделия. При измерении в большинстве слу-
чаев используется сравнительный метод — напряжение, наве-
денное стандартным изделием, сравнивается с напряжением,
269
наведенным испытуемым изделием. Разница этих величин слу-
жит мерой различия магнитных свойств этих двух изделий.
Эта разность или измеряется шкальным прибором, или реги-
стрируется на экране осциллоскопа. Последний вид регистра-
ции результатов измерений дает возможность наблюдать как
содержание гармоник, так и их амплитуду.
Возможны случаи, когда изделия не показывают никакого
различия в величине наведенного напряжения, несмотря на
разницу магнитных свойств. Это может произойти, например,
тогда, когда разница в магнитной проницаемости компенси-
рует разницу в гистерезисе. Теоретически можно показать, что
л!обое условие, которое влияет на магнитные свойства мате-
риала, вызовет соответствующее изменение наведенного на-
пряжения. Изменение магнитных свойств по-разному оказы-
вается на изменении активной составляющей, амплитуды и
фазовых углов различных гармоник. Для практических целей
интерес представляет лишь изменение амплитуды и фазы ос-
новной и третьей гармоник.
Анализ гармоник наведенного вторичного напряжения
позволяет установить связь этих величин с изменением метал-
лургических и физических свойств.
Магнитные компараторы. Для сравнительного анализа маг-
нитных материалов в настоящее время находят применение
несколько видов компараторов. Например, компаратор фирмы
Дженерал Электрик состоит из осциллятора, балансного кон-
тура и измерительного прибора. По существу это импедансный
компаратор, в котором используется одна испытательная ка-
тушка. Импеданс этой катушки меняется в зависимости от элек-
трических и магнитных свойств испытуемого изделия. Диапа-
зон частот составляет от 50 до 10 000 гц.
Магнитный компаратор другого вида включает мостовой кон-
тур, соединенный с двумя индуктивными испытательными ка-
тушками, две одинаковые емкости, купроксный выпрямитель и
регистрирующий прибор. В процессе контроля испытуемое изде-
лие сравнивается со стандартным.
Динамическое напряжение, приложенное к ферромагнит-
ному контролируемому изделию, может вызвать изменение его
магнитного поля. Магнитные потери и потери на вихревые
токи в изделии, размещенном в испытательной катушке, умень-
шают сигнал на выходе осциллятора.
В литейном производстве метод сравнения по магнитным
свойствам используется для выявления «пятен» в отливках из
ковкого чугуна. Эти «пятна» представляют собой свободный
графит, выделившийся из чугуна при охлаждении. В процессе
контроля испытуемая отливка сравнивается со стандартной
отливкой, свободной от подобных включений. При этом как та,
так и другая отливки помещаются в трансформаторы в качест-
270
ве сердечников. Каждая из первичных обмоток имеет одно и
то же число витков. Эти обмотки включены последовательно и
являются согласно действующими; таким образом, стандартная
и испытуемая отливки в равной степени влияют на любые ко-
лебания напряжения.
Число ампер-витков первичных обмо-
ток выбирается таким,
находились
в
чтобы отливки
полностью насыщенном со-
Фиг. 206. Блок-схема оборудования
для обнаружения графитовых вклю-
чений в отливках:
1 — включения графита, 2 — испытуемая
отливка, 3 — миллиамперметр, 4 — стан-
дартная отливка.
ЗЯЯПГк
1,85 on
*-------------2206
956 биткой
182 ом
?
стоянии. Последовательно соединенные вторичные обмотки
являются противоположно действующими. Если обе отливки не
отличаются по магнитным свойствам, ток в цепи отсутствует.
Блок-схема подобной установки изображена на фиг. 206. Соот-
ношение между величиной тока и количеством графитовых
включений устанавливалось экспериментально. Чувствитель-
ность такого метода контроля может быть повышена использо-
ванием вторичной обмотки с большим числом витков и усиле-
нием разностного тока с помощью обычных устройств.
Основой любых магнитных испытаний является использо-
вание магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости.
Разница в магнитной восприимчивости используется для отбра:
ковки стальных изделий, твердость которых в результате
неправильной обработки не соответствует требуемому значе-
нию. Намагниченные отливки пропускаются через катушку, и
измеряется величина наведенного тока, которая зависит от
остаточного намагничивания.
ГЛАВА 11
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Электрические методы испытаний без разрушения широко
используются для выявления расслоев в прокатном листовом
металле, дефектов в отливках, некачественных спаев, дефект-
ных швов, расслоений в биметаллических пластинах, трещин
в металлических изделиях, растрескиваний эмалевых покрытий,
трещин в электрических изоляторах и т. д.
Кроме того, эти методы применяются для сортировки или
идентификации металлических изделий, измерения толщин
пленок, проверки химического состава и определения степени
термообработки металлических деталей. Различные электриче-
ские методы могут быть разделены на следующие категории:
методы, основанные на измерении электрического сопротивле-
ния; методы, использующие трибоэлектрический и термоэлек-
трический эффекты, и методы, основанные на измерении харак-
теристик статического поля.
Измерение электрического сопротивления. Принципиальная
основа методов, использующих измерение электрического со-
противления, заключается в том, что электрическое сопротив-
ление, измеренное в непосредственной близости к дефекту,
отличается от электрического сопротивления «сплошного», или
доброкачественного металла. При протекании электрического
тока по металлическому изделию между любыми двумя его
точками возникает разность потенциалов; наличие дефекта из-
меняет величину этой разности. Измерение разности потенциа-
лов позволяет судить о внутреннем состоянии изделия. В ходе
подобных измерений важным фактором является поверхностное
контактное сопротивление, которое может оказать значительно
большее влияние на результаты испытаний, чем сопротивление,
обусловленное дефектом; вследствие этого разработаны специ-
альные электроды, применение которых сводит к минимум
эффекты, вносимые контактным сопротивлением.
Величина сопротивления может быть определена с помощью
мостовой схемы Уитстона или сдвоенной мостовой схемы
Кельвина. В обоих случаях неизвестное сопротивление сравни-
вается с известным стандартным.
272
Фирма Дженерал Моторе [1] использует мостик Уитстона
для выявления трещин в кулачковых валах; эти трещины
обычно возникают в месте соединения кулачка с валом. Схема
оборудования показана на фиг. 207.
Галтель между валом и кулачком шунтируется специальным
электродом. В качестве стандартного для настройки оборудо-
вания используется заведомо доброкачественный кулачковый
Фиг. 207. Устройство для контроля кулачковых валов:
/ — двухполюсный переключатель, 2 — зеркальный гальванометр, 3 — гасящее
сопротивление, 4 — лампа и линза, 5 — кулачковый вал, 6 — амперметр,
7 — лампа 6 в, 8 — секционированное сопротивление для поддержания величи-
ны тока на уровне 34 а при падении напряжения, 9 — батарея, 10 — одно-
полюсный выключатель.
вал. Сопротивление галтели уравновешивается сопротивлением
медной проволоки известной длины. Галтели на валу имеют
различные радиусы скругления; поэтому их сопротивление раз-
лично. Это изменение сопротивления компенсируется подбором
для каждой галтели проволоки соответствующей длины.
Измерения, произведенные с помощью мостика Уитстона,
достаточно надежны, если величина измеряемого сопротивле-
ния превышает 1 ом. Эта схема непригодна для сравнения со-
противлений порядка 0,01 ом или менее по двум причинам:
мостовая схема не может быть сделана настолько чувствитель-
ной, насколько это необходимо при измерении малых сопротив-
лений; кроме этого, в такой схеме трудно избежать контактных
сопротивлений, имеющих тот же порядок, что и измеряемые
сопротивления. Поскольку при контроле металлических изделий
измеряемые сопротивления малы, более точные результаты
273
Фиг. 208. Измерение малых сопротивле-
ний с помощью потенциометра:
1 — известное сопротивление,
сопротивление.
могут быть получены при использовании сдвоенной мостовой
схемы Кельвина.
Специальная разновидность этой схемы [2] используется
для измерения сопротивлений массивных деталей при исследо-
вании распространения усталостных трещин.
Малые'токи и сопротивления могут быть также измерены с
помощью потенциометра,
хотя в основном потен-
циометр предназначен
для сравнения разности
потенциалов.
На фиг. 208 показана
схема измерения малого
сопротивления с по-
мощью потенциометра.
В схеме используются
две батареи и Е2; ток
одной батареи проходит
через измеряемое и стан-
последовательно, вторая
:ания тока через контур
сравнения. По обоим сопротивлениям протекает один и тот же
ток; следовательно, падение потенциала на этих сопротивлениях
пропорционально их величине.
Неизвестное сопротивление определяется из соотношения

2 — неизвестное
дартное сопротивления,
батарея предназначена
ДЛЯ
их
Us
(11.1)
Методы, основанные на измерении электрического сопротив-
ления. Подобные методы использовались, в частности, для кон-
троля однородности и доброкачественности роторов турбогене-
раторов. К концам вала ротора прикрепляли электроды и через
ротор пропускали постоянный ток величиной 10 000 а. Контакты,
предназначенные для измерения разности потенциалов, разме-
щались на равных расстояниях вдоль всей поверхности ротора.
Между каждой парой электродов мог быть включен вольтметр.
В том случае, когда ротор полностью свободен от дефектов,
показания вольтметра при включении его между любой парой
электродов были одинаковы; наличие дефекта в зоне, заклю-
ченной между какой-либо парой электродов, приводит к изме-
нению показаний. Подобный метод использовался также для
контроля качества проволоки, стержней и труб.
При контроле сварных швов методы, основанные на изме-
рении электрического сопротивления, используются для выявле-
ния трещин глубиной около 1,6 мм, невидимых невооруженным
глазом, а также ослабления и несплавления в сварном шве.
274
потенциала применяли
б)
Фит. 209. Принцип контро-
ля качественного состояния
поверхности по методу
дения потенциала.
Сайэки [3] описывает устройство для контроля качества точеч-
ных сварных швов путем измерения падения потенциала по
шву. Электрический ток пропускают через элементы, соединен-
ные сваркой, в поперечном, направлении, и измеряют разность
потенциалов между двумя поверхностями. Для подвода элек-
трического тока и измерения падения
две пары электродов, причем рас-
стояние между токовыми и измери-
тельными электродами сохранялось
неизменным. Разность потенциалов
на дефектном участке шва была во
много раз больше, чем на доброка-
чественном.
Для контроля качества отливок,
изготовленных с крайне жесткими
допусками по размерам и составу,
можно применить простой метод
испытаний, сущность которого за-
ключается в том, что к противо-
положным концам отливки прикла-
дывается постоянное напряжение и
измеряется величина результирую-
щего тока. Наличие непроводящего
дефекта в отливке ведет к пропор-
циональному уменьшению проводя-
щего поперечного сечения, увели-
чению сопротивления и уменьше-
нию величины тока.
Методы, основанные на измере-
нии падения потенциала. В неко-
торых случаях важно измерить глу-
бину трещин, обнаруженных с по-
мощью других методов испытаний
без разрушения. Херст [4] приводит
измерения глубины поперечных усталостных трещин в
железнодорожных вагонов диаметром 127 мм. Для измерения
использовался щуп, состоящий из трех точечных контактов,
размещенных на одной линии на расстоянии 6,35 мм один от
другого.
Щуп помещался на дефектный участок таким образом,
чтобы трещина находилась между двумя точечными контакта-
ми. К концам изделия прикладывалось переменное напряжение.
После усиления и выпрямления сравнивалось постоянное на
пряжение между каждой парой электродов. Калибровка при-
бора проводилась на пропилах известной глубины, проделанных
в изделии из того же материала. Этот прибор не дает возмож-
ности учесть колебания электрических и магнитных свойств
разных изделий одной и той же конструкции. Чувствительность
па-
описание прибора
для
осях
275'
прибора к обнаружению трещин зависит от ориентации пло-
скости трещины по отношению к направлению протекающего
тока.
Другим вариантом описанного выше прибора является
устройство, принцип действия которого проиллюстрирован на
фиг. 209. Ток подводится от низковольтного источника постоян-
ного тока по двум электродам А и В. Два измерительных элек-
трода подсоединяются к чувствительному гальванометру или
другому прибору. На фиг. 209
Фиг. 210. Блок электродов:
1 — токовые контакты, 2 — изолирован-
ные схваты, 3 — токовый провод,
4 — потенциональный провод, 5 — по-
тенциальные контакты.
показаны примерные линии тока
и линии равного потенциала. При
перемещении этой жесткой систе-
мы электродов вдоль поверхно-
сти металла отклонение стрелки
гальванометра остается постоян-
ным при условии неизменной
величины тока; при этом сущест-
венно, чтобы сохранялся контакт
между электродами и поверхно-
стью. Если между электродами
находится трещина (фиг. 209,6),
то происходит искажение токо-
вых и эквипотенциальных линий, и падение потенциала между
точками С и D возрастает. Чувствительность этого метода зави-
сит от соотношения между глубиной трещины и глубиной про-
никновения протекающего тока.
С целью облегчения контроля были разработаны специаль-
ные блоки электродов, включающие как токовые, так и измери-
тельные электроды. Один из таких блоков показан на фиг. 210.
Каждый электрод изолирован от других электродов и может
независимо от них подводиться к исследуемой поверхности и
отводиться от нее; при этом относительное расстояние между
электродами сохраняется постоянным.
Другой вид электродного блока показан на фиг. 211.
Каждый электродный блок представляет собой сдвоенный элек-
трод, состоящий из токового электрода, окружающего потен-
циальный электрод; оба электрода тщательно изолированы
один от другого. Токовый электрод заканчивается сменным
контактным наконечником, который прижимается к поверхно-
сти исследуемого изделия. Потенциальный электрод может быть
выдвинут через отверстие в изолирующей втулке, в которой
он свободно перемещается. Контактные наконечники изготов-
ляются из хромированной латуни, молибдена и сплава молиб-
дена с серебром. Диаметр контактной поверхности наконечни-
ка может быть сделан весьма малым (до 3,2 мм). Плотный
контакт токовых и потенциальных электродов с поверхностью
обеспечивается пружинными прижимами.
Метод электродного потенциала. Описанные выше специ-
276
альные электроды были использованы для выявления зон не-
сцепления между двумя металлическими поверхностями. Этот
метод контроля [5], названный методом электродного потенциа-
ла, основывается на том факте, что удельное электрическое
сопротивление в непосредственной близости от зоны несцепле-
ния отличается от удельного электрического сопротивления в
сплошном металле; однако в качестве признака несцепления
используется не различие в величине электросопротивления, а
разность потенциалов.
Фиг. 211. Сдвоенный электрод Марбургера:
1 — изолирующая втулка, 2 — пружинный прижим токового электрода, 3 — корпус,.
4 — съемный контактный наконечник токового электрода, 5 — потенциальный элек-
трод, 6 — пружинный прижим потенциального электрода, 7 — втулка с резьбой,
8 выход потенциального электрода.
Применение электродов специальной конструкции снижает
до пренебрежимо малой величины влияние поверхностного кон-
тактного сопротивления и делает возможным непрерывное
сканирование испытуемого изделия. Сущность метода элек-
тродного потенциала пояснена на фиг. 212. На этой фигуре 2
и 5 — токовые электроды, 3 и 4 — потенциальные электроды,
1 — металлическое изделие небольшой толщины.
Потенциальные электроды электрически изолированы от то-
ковых электродов. В процессе контроля через изделие между
электродами 2 и 5 пропускается синусоидальный ток (/) с ча-
стотой 60 гц; между противоположными поверхностями изделий
устанавливается определенная разность потенциалов (£). Как
это может быть легко показано с помощью эквивалентного
контура, изображенного на фиг. 212,6, две пары электродов и
изделие составляют сопротивление с четырьмя выводами. Из
анализа этого контура следует, что поверхностные контактные
сопротивления между токовыми электродами и изделием вклю-
чены в токовый контур между точками 2 и 5, но не включены в
контур потенциала между точками 3 и 4 и изделием.
Таким образом, эти сопротивления соединены последова-
тельно с контуром измерения потенциала, внутреннее сопротив-
ление которого является весьма высоким. Вследствие этого
колебания величины контактных сопротивлений незначительно
сказываются на чувствительности метода.
277
Разность напряжения на обоих сторонах изделия до подачи
на вход осциллографа или самописца усиливалась; для вы-
прямления переменного напряжения использовался сглажива-
ющий фильтр.
Можно приблизительно оценить размер минимального де-
фекта, выявляемого с помощью метода электродного потенци-
ала. Полное сопротивление между электродами, прижатыми
Фиг. 212. Принцип контроля качества сцепления между двумя
металлическими поверхностями по методу электродного потен-
циала:
1 — испытуемое плоское изделие, 2, 5 — токовые электроды, 3, 4 — потен-
4	циальные электроды, 6 — контактное сопротивление.
к противоположным сторонам плоского изделия, практически
представляет собой активное сопротивление. Величина эквива-
лентного сопротивления может быть вычислена по обычной
формуле, если ввести понятие об эффективной площади попереч-
ного сечения, по которому проходит ток от электрода 2 к элек-
троду 5. Действительные линий тока в изделии, как это видно
из фиг. 212, образуют бочкообразный рисунок. Объем подобной
формы может быть заменен эквивалентным цилиндром, длина
которого равна толщине изделия. Эффективное поперечное се-
чение Ае должно быть таким, чтобы электрическое сопротивле-
ние по длине эквивалентного цилиндра было равно действи-
тельному сопротивлению. Площадь поперечного сечения этого
гипотетического цилиндра будет
4 =-у-	Щ-2)
где р — удельное электрическое сопротивление изделия;
t — толщина изделия;
R — эквивалентное электрическое сопротивление изделия.
Если предположить, что может быть измерено 20 %-ное из-
278
мёнение разности потенциалов, то отсюда следует, что площадь’
проекции минимального дефекта, который может быть обнару-
жен, на плоскость, нормальную к линиям тока, должна быть
равна 0,2 Ае. Измерения, произведенные на пластинчатом об-
разце из циркония с помощью электродов, диаметр наконечни-
ка которых был равен 0,3 мм, дали результаты (р =
=47-10~6 ом-см), приведенные в табл. 35. Эти данные показы-
Таблица 35
Результаты измерений по методу электродного потенциала
Величина	Толщина образца, в мм		
	6,3 |	3,2	1,6
Площадь поперечного сечения эквивалентного проводя- щего цилиндра в мм2 		26,8	16,3	14,2
Эквивалентная площадь проекции минимальной выявля- емой раковины в мм2		5,36	3,26	2,84
Диаметр минимальной выявляемой раковины сферической формы в мм .....................	0,83	0,66	0,61
вают, что чувствительность метода возрастает с уменьшением
толщины изделий. Практически минимальный выявляемый
дефект может быть даже меньше, чем это установлено предше-
ствующим анализом. Дефект, расположенный на середине рас-
стояния между электродами, может быть пропущен контроль-
ным устройством, в то время как дефект такого же размера,
но расположенный ближе к какому-либо из электродов, может
быть легко обнаружен. Вероятно также, что могут быть зареги-
стрированы изменения разности потенциалов, меньшие чем 20%.
На фиг. 213 показаны типичные результаты, полученные ' по
методу электродного потенциала.
Определение состава сплавов. Тесная взаимосвязь, которая
существует между величиной электропроводности и составом
сплавов, известна в течение многих лет. Электропроводность
чистого металла всегда резко уменьшается при добавлении ле-
гирующих компонентов. Электропроводность также крайне
чувствительна к различным дислокациям в металле, выделе-
нию отдельных компонентов сплава, деформациям и холодной
обработке. По существу можно ожидать, что на величину элек-
тропроводности будут влиять любые факторы, которые вызы-
вает искажение атомной структуры металлов. Эстбери и Ропер
[6] описывают метод определения содержания кремния в листо-
вой кремнистой стали. Ротерхем и Морли [7] приводят описа-
ние аналогичного метода для оценки содержания магния в
алюминиевых сплавах и алюминия в магниевых сплавах.
Метод электрического сопротивления используется также для
определения скорости коррозии. Это достигается измерением
279
потери металла с поверхности щупа, установленного в ис-
следуемой корродирующей системе [8]. Электрическое сопро-
тивление увеличивается по мере того, как металл в результате
коррозии удаляется с поверхности изделия; таким образом, ско-
рость коррозии может быть определена путем измерения элек-
трического сопротивления.
При использовании щупов
с большими отношениями
длины к поперечному сече-
нию достигается высокая
чувствительность. Показа-
ния прибора не зависят от
величины тока и темпера-
туры в результате примене-
ния второго щупа из того
же самого материала. Вто-
рой щуп размещается в не-
посредственной близости от
первого и покрывается кор-
розионно-устойчивым по-
крытием, сохраняющим его
первоначальные размеры.
В процессе измерений оба
щупа соединяются по схеме
мостика Кельвина.
Трибоэлектрический ме-
тод. Когда два металлур-
гически не подобных ме-
талла с трением переме-
щаются один относительно
другого, возникает некото-
рое напряжение электриза-
ции. Величина этого напря-
жения колеблется от долей
микровольта до нескольких
милливольт в зависимости
от состава металлов или сплавов, находящихся в контакте.
Это явление известно под названием «трибоэлектрического
эффекта» и вызвано перераспределением электронов между
контактирующей парой разнородных металлов, что приводит
к возникновению измеримого электрического тока. Трибоэлек-
трический эффект возникает также при трении пары однород-
ных металлов, один из которых является термообработанным,
поскольку термообработка вызывает в большинстве сплавов
определенные химические изменения.
Создание подвижного контакта между двумя металличе-
скими изделиями для их трибоэлектризации не представляет
особых трудностей. Величина напряжения, создаваемого при
280
механическом трении, не зависит от скорости и хода натираю-
щего устройства. Эта величина не зависит также от развивае-
мого давления, если обеспечен необходимый физический и элек-
трический контакт. Эксперименты показывают, что величина
поверхностной шероховатости не оказывает почти никакого
влияния на трибоэлектрический потенциал. Однако поверхности
Фиг. 214. Электрическая схема контрольного прибора, ос-
нованного на трибоэлектрическом эффекте:
I — возвратно-поступательный механизм, II — балансный контур,
/// — реле времени, /V —реле, V — контур смещения; / — испытуе-
мое изделие, 2 — эталонный образец, 3 — изолированный патрон,
4 — сериесный двигатель, 5 — пусковой выключатель.
контактирующих металлов должны быть свободными от ока-
лины или других окисных пленок, поскольку подобные соеди-
нения образуют с металлом крайне активную трибоэлектриче-
скую пару, а при трибоэлектрических испытаниях поверхность
металла является показателем общего металлургического и
химического состояния материала. На величине напряжения
не сказываются также изменения толщины и размера изделий.
На фиг. 214 показана электрическая схема промышленного
прибора [9], основанного на трибоэлектрическом эффекте. Не-
обходимое относительное перемещение двух металлических
изделий обеспечивается возвратно-поступательным механизмом
с электрическим приводом, ход которого составляет 9,5 мм; в
электрически изолированный патрон этого механизма зажи-
мается эталонный образец из стандартного металла, который
затем приводится в контакт с испытуемым изделием. К эта-
лонному образцу и изделию подводятся необходимые электри-
ческие соединения, и производится корректировка нуля
микровольтметра для исключения влияния паразитных или
термоэлектрических токов. Для контроля частоты возвратно-
поступательного движения натирающего механизма и рабочего
281
времени прибора используется электронная схема. Показания
микровольтметра регистрируются после останова механизма.
Подобные испытания позволяют уловить изменение содер-
жания в углеродистых сталях таких примесей, как фосфор,
сера и кремний; этот метод особенно чувствителен к добавкам
меди. Малолегированные стали могут быть отделены от угле-
родистой стали и одна от другой;1 в зависимости от содержания
хрома могут быть рассортированы магнитные нержавеющие
стали мартенситного класса (серия 400).
Трибоэлектрический метод сортировки дает также возмож-
ность отделить аустенитные нержавеющие стали (серия 300)
от сталей других марок и произвести идентификацию сплавов
на железоникелевой и медноникелевой основе. Этот метод ис-
пользуется для сортировки медных сплавов в зависимости от
содержания сурьмы. Сортировка латуней и бронз по этому ме-
тоду несколько затруднена, но алюминий марки 2S (коммер-
чески чистый алюминий) легко отсортировывается от алюминия
марки 3S (алюминий, легированный марганцем).
Термоэлектрический компаратор. Фирмой Дженерал Мо-
торе разработан компаратор, который может быть использован
для оценки неоднородности металлических изделий, измерения
толщины фольг, покрытий и непроводящих пленок, обнаруже-
ния отклонений в металлургической структуре, термообработке
и химическом составе.
С помощью этого прибора можно обнаружить отклонения
величины твердости поверхности, глубины цементации, выявить
характер распределения поверхностных напряжений, оценить
качество сцепления между двумя поверхностями. Прибор оди-
наково пригоден для контроля как ферритных, так и неферрит-
ных металлов. В приборе используется пара щупов, изготов-
ленных из сплава известного состава, которые приводятся в
контакт с поверхностью изделия. Один щуп нагревается до
определенной температуры; другой щуп находится при темпе-
ратуре, близкой к температуре изделия (фиг. 215). Так как
разность температур обоих щупов поддерживается постоян-
ной, отклонение контролируемых характеристик изделия
приводит к возникновению термической э. д. с. Этот сигнал
подается на вход усилителя и фазочувствительного детектора.
Разность температур обоих щупов ч(при фиксированной темпе-
ратуре нагреваемого щупа) зависит от толщины и теплопро-
водности контролируемого изделия. Это обстоятельство
используется при измерении толщин покрытий и непроводящих
пленок; для различных комбинаций основного металла и метал-
ла покрытия могут быть получены градуировочные кривые,
подобные показанным на фиг. 216.
Метод статического электрического поля. Этот метод исполь-
зуется для выявления дефектов в диэлектрических или изоля-
ционных материалах, включая стекло, керамику, фарфор, элек-
282
троизоляционные и другие неметаллические материалы. Харак-
тер распределения статического электрического заряда можно
установить с помощью электрометров, электризованных частиц,
путем оценки диэлектрических потерь, а также по изменению
диэлектрических свойств. Испытуемый диэлектрик может быть
сделан частью конденсатора; тогда его диэлектрические харак-
теристики определяются пу-
тем измерения емкости та-
кого составного конденса-
тора.
Метод «Статифлюкс».
Для обнаружения трещин
в покрытиях на металле
используется метод, извест-
ный под названием «Стати-
флюкс» [10], до некоторой
степени подобный методу
магнитных частиц. На кон-
Фиг. 215. Внешний вид и принцип Фиг. 216. Градуировочные
действия термоэлектрического компа- кривые, используемые при оп-
ратора:	ределении толщины покрытий:
/ — источник нагрева, 2 — электронный / — медь на стали, 2 — никель
усилитель, 3 — испытуемый материал.	на стали.
тролируемую поверхность форсункой наносится сухой тонко
размельченный порошок карбоната кальция. Отдельные частицы
карбоната кальция при прохождении через сопло форсунки
становятся положительно заряженными. Эти заряженные ча-
стицы притягиваются к трещинам в покрытии вследствие осо-
бого характера электрического поля вокруг подобных дефектов,
образуя резко очерченные отложения порошка. Причина этого
явления может быть вкратце объяснена следующим образом:
положительно заряженные частицы порошка притягивают сво-
бодные электроны металлической подложки к нижней стороне
эмалевого покрытия. На трещине градиент потенциала больше,
что вызывает притяжение положительных зарядов. Экспери-
ментально было обнаружено, что подобный метод позволяет
обнаруживать трещины в эмалевых покрытиях, ширина которых
менее 0,1 мк [11]. Этот метод также используется для выявле-
ния дефектов в электрических изоляторах.
283
Диэлектрический метод контроля. С помощью диэлектриче-
ского метода контроля проводятся, например, неразрушающие
испытания листовых пластиков, армированных стекловолокном.
Прибор для проведения подобных испытаний описан в патенте
США № 2601649. Действие прибора основано на том, что от-
клонение диэлектрических характеристик испытуемого мате-
риала вызывает изменение емкости конденсатора в электриче-
ском контуре, настроенном на резонанс; диэлектрик при этом
размещается между обкладками конденсатора. Одну обкладку
конденсатора образует контактный электрод, другую — зазем-
ленная пластина щупа. Изменение емкости вызывает измене-
ние величины анодного тока в контуре осциллятора с кварце-
вой стабилизацией. Анодный ток регистрируется чувствитель-
ным миллиамперметром. Показания прибора могут бьпь нане-
сены на график и использованы для регистрации толщины ар-
мированного пластика, и, в некоторых случаях, содержания в
нем смолы. Наличие в слоистом пластике значительного де-
фекта вызывает резкое изменение показаний прибора при раз-
мещении щупа над дефектной зоной.
ГЛАВА 12
МЕТОДЫ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ
Методы, основанные на использовании вихревых токов, мо-
гут быть применены для контроля электропроводящих изделий
для выявления дефектов, неоднородностей структуры и отклоне-
ний химического состава. Методы вихревых токов находят так-
же применение для сортировки металлов, обнаружения трещин,
пустот и включений, измерения толщин покрытий, листовых
металлов и труб, а также толщин непроводящих пленок, нане-
сенных на основной металл. Методы вихревых токов наиболее
эффективны при выявлении дефектов, расположенных вблизи
поверхности изделия. Результаты испытаний могут послужить
лишь для косвенной оценки исследуемых характеристик изде-
лия; в каждом конкретном случае должно быть установлено
соотношение между измеряемыми величинами и этими характе-
ристиками.
Когда к поверхности металлического изделия подносится
катушка, по которой протекает переменный электрический ток,
в металле наводятся вихревые токи. Величина наведенных вих-
ревых токов зависит от величины и частоты переменного тока,
электропроводности, магнитной проницаемости и формы изде-
лия, относительного расположения катушки и изделия, а также
от наличия в изделии неоднородностей или несплошностей.
Электропроводность, в свою очередь, определяется механиче-
ской или термической обработкой изделия. Если материал из-
делия относится к классу аустенитных нержавеющих сталей, то
механическая или термическая обработка будут также влиять
на величину магнитной проницаемости. С вихревыми токами,
наведенными в металле, связано магнитное поле, направление
которого противоположно направлению начального магнитного
поля; вследствие этого вихревые токи будут влиять на величи-
ну импеданса катушки возбуждения или любой другой катушки,
расположенной в непосредственной близости к изделию. Харак-
тер распределения вихревых токов изменяется при наличии
в металле дефектов или других неоднородностей, что, в свою
очередь, влечет за собой изменение кажущегося импеданса
катушки, который может быть измерен и использован для
285
обнаружения дефектов или различий в физической, химической -
и металлургической структуре материала.
Однако во многих случаях вполне приемлемые колебания
качества изделия могут оказать значительно большее влияние
на распределение и величину вихревых токов, чем нежелатель- .
ный дефект.
Наведенные вихревые токи концентрируются вблизи по-
верхности изделия. Для случая плоского проводника изменение
величины тока в зависимости от глубины носит экспоненциаль-
ный характер.
Глубина проникновения для плоского проводника определя-
ется следующим выражением:
8 =--------
(12.1)
где 6 — глубина проникновения в м;
f— частота в гц;
ц— магнитная проницаемость (4-Ю7 генри!м. для немаг-
нитных материалов);
о — объемная электропроводность в ом/м.
Условная глубина проникновения для плоского проводника
в однородном поле определяется как глубина, на которой вели-
чина тока становится равной 1/е (37%) своего значения на
поверхности. Для неоднородных полей и проводников, форма
которых отличается от плоской, характер распределения вихре-
вых токов не следует уравнению (12.1). На фиг. 217 показаны
значения условной глубины проникновения для некоторых ме-
таллов при различных частотах.
Диагональные линии представляют собой отношение объем,-
ного электрического сопротивления р в мком/дюйм к относи-
тельной магнитной проницаемости цд; это дает возможность
учесть влияние магнитных характеристик данного металла. Для
немагнитных материалов величина ця равна единице. В каче-
стве примера штриховыми линиями на графике показано опре-
деление глубины проникновения для алюминия марки 2S при
частоте 5 Кгц. Удельное электросопротивление алюминия мар-
ки 2S при 40 °C составляет 1,15 мком1дюйм. Относительная
проницаемость для алюминия, как для немагнитного мате-
риала, равна единице; таким образом, р/ц,д= 1,15. Следует под-
черкнуть, что во многих случаях уменьшение величины тока с
глубиной зависит также от геометрии катушки возбуждения.
Следовательно, уравнение (12.1) может служить лишь для при-
близительных оценок, и в большинстве случаев глубина про-
никновения должна быть определена экспериментально.
Величина наведенных вихревых токов может быть вычис-
лена на основании закона индукции Фарадея:
iz = г0 exp [— (ufp.a)'/2z] exp / [(2кД) — (к/ p.a)'/2z],	(12.2)
286
где iz — ток на глубине г;
г’о — ток при г = 0;
f— частота;
ц—магнитная проницаемость;
сг — электропроводность;
/ = — 1;
t — время.
Первый экспоненциальный член в уравнении (12.2) опреде-
ляет уменьшение величины тока при возрастании глубины. Вто-
рой член описывает соотношение между фазой вихревых токов
Фиг. 217. Зависимость условной глубины проникновения в
зависимости от частоты для некоторых металлов.
на данной глубине и фазой поверхностных токов. Величина на-
веденного магнитного поля как функция глубины определяется
подобным выражением. Из уравнения (12.1) можно видеть, что
чем больше частота возбуждения, электропроводность или маг-
нитная проницаемость материала, тем меньше глубина, на ко-
торой могут быть наведены вихревые токи в металле. Для не-
ферритных металлов, у которых величина ц равна единице,
желательная глубина проникновения может быть достигнута
выбором необходимой частоты. Для ферритных металлов, ко-
торые характеризуются высоким значением ц, проникновение
мало даже при весьма низких частотах. С целью увеличения
287
Фиг. 218. Диаграмма им-
педанса для катушки,
окружающей сплошной
цилиндрический образец
(N— коэффициент за-
полнения, равный отно-
шению радиуса образца к
радиусу катушки; со£ —
импеданс катушки с об-
разцом; соАо — импе-
данс пустой катушки;
R — активное сопротив-
ление) :
1—N=1, 2—N=0 63, 3—>N=
= 0,35
глубины проникновения и повышения эффективности контроля
необходимо снизить эффективную величину магнитной прони-
цаемости; это может быть достигнуто путем создания в мате-
риале изделия магнитного насыщения.
Диаграмма импеданса. Когда измерительная катушка под-
носится к поверхности проводника,
импеданс катушки претерпевает опре-
деленные изменения. Анализ этого из-
менения крайне усложнен вследствие
большого числа переменных, от кото-
рых зависит указанная величина. Им-
педанс изменяется по амплитуде и по
фазе; график, показывающий харак-
тер этих изменений, носит название
«диаграммы импеданса». Такой гра-
фик для катушки, окружающей сплош-
ной металлический цилиндрический
стержень, показан на фиг. 218. Импе-
данс измерительной катушки может
быть разложен на две составляющие —
реактивную и активную. Штриховые
линии на графике соответствуют изме-
нению импеданса при помещении в
катушку изделий одинаковой элек-
тропроводности, но различного диа-
метра.
Для исключения любой зависимо-
сти результатов измерений от кон-
кретной конструкции или геометрии
катушки кривые графика на фиг. 218
нормализованы путем деления актив-
ной и реактивной составляющих импе-
данса, отложенных по осям графика,
на величину индуктивности пустой
катушки (соЛо). Большое число таких
диаграмм было составлено Форсте-
ром [1], Либби [2] и Оливером [3].
Величину реактивной составляющей,
отложенной по оси абсцисс, можно
сопоставить с количеством энергии, сконцентрированной в изде-
лии и в катушке в течение каждого цикла переменного тока.
Величину активной составляющей можно сопоставить с ко-
личеством энергии, рассеянной в изделии в течение каждого
цикла.
Если изделие имеет нулевую электропроводность (является
изолятором), вихревые токи в нем не наводятся; при увеличе-
нии электропроводности изделия до некоторой определенной ве-
личины возникают вихревые токи. Это влияет на импеданс
288
измерительной катушки двояким образом. Наведенные вихре-
вые токи создадут свое собственное электромагнитное поле,
направленное против магнитного поля катушки, что приведет
к уменьшению энергии, сосредоточенной в системе, и рассеянию
энергии в виде тепла. Увеличение электропроводности вызовет
уменьшение реактивной составляющей; при этом активная со-
ставляющая сначала возрастет до некоторого максимального
значения и затем начнет уменьшаться. На фиг. 219 показаны
три экспериментально определенные кривые импеданса в функ-
Реактивная составляющая
о
Материал
▲ Г астеллой
Инконель
Нержавеющая сталь 316
U-At сплав (^8 7о U по весу)
Желтая латунь
Сплав алюминия 6061
Алюминии 2S
Электропровод-
ность (7ol ACS)
1.3
1,8
2,3
22,8
28
45
59
Фиг. 219. Диаграмма импеданса при изменении электропроводности испы-
туемого изделия и частоты поля возбуждения (увеличение электропроводно-
сти показано стрелкой).
ции электропроводности; частота возбуждения вдоль каждой
кривой сохраняется постоянной. Эти кривые подобны по форме
и различаются лишь по размерам и ориентации. Могут быть
получены также подобные кривые, показывающие зависимость
импеданса от частоты либо толщины.
Влияние на характер диаграммы импеданса изменения маг-
нитной проницаемости и материала покрытия показано на
фиг. 220—223.
Одно из наиболее детальных исследований по использова-
нию вихревых токов для испытаний без разрушения было про-
ведено Форстером [1]. В предложенной Форстером форме диа-
граммы импеданса переменным параметром является вели-
чина fg, значение которой определяется следующим выраже-
нием:
: = 5060
ё ’
(12.3)
где ц— магнитная проницаемость в генри)
о— электропроводность в ом)м\
D — диаметр в м.
Ю Испытания без разрушения	289
Активная составляющая
Фиг. 220. Диаграмма импеданса при
изменении толщины покрытия инко-
неля на меди; цифрами указано из-
менение толщины в мм инконеля на
меди (светлые4 точки) и меди на ин-
конеле (черные точки).
0,375 0,525 п
~ 0 25\ \ °^атинь
07	0.625
- °'025
0,025 ^^Oj25
0,4 0,225
7.0
§ 0,9
$
1 0,3
| 0,7
I 0,6
0,5
0	0,1	0,2	0,3	0,4
Активная составляющая
Напряжение на выходе поста
(единицы произвольные)
Фиг. 222. Изменение фазового уг-
ла 6 при изменении толщины по-
крытия (латунь на цирконии).
Фиг. 221. Диаграмма импеданса при
изменении толщины покрытия алю-
миния марки 2S на латуни; цифрами
указано изменение толщины в мм
алюминия на латуни (светлые точки)
и латуни на алюминии (черные точ-
ки) .
Воспользовавшись отношением f/fg, диаграмму на фиг. 224
можно применить для материалов с любой электропроводно-
стью, магнитной проницаемостью, а также для стержней любого
диаметра. При выборе частоты сле-
дует лишь стремиться к тому, чтобы
значение f/fg лежало в линейной об-
ласти графика. Зависимость, выражен-
ную на фиг. *224, Форстер определяет
как закон подобия. Эта зависимость
Фиг. 224. Нормализованная
диаграмма импеданса изме-
рительной катушки в зави
симости от отношения f/fg
для неферромагнитных ма-
териалов (ц = 1).
Фиг. 223 Диаграмма импеданса при из-
менении толщцпы покрытия:
Основа —
урано-алюминиевый сплав (электропровод-
ность 22,8% IAC5); покрытие — алюминие-
вый сплав (электропроводность 45% IAC.5).
должна сохраняться и в том случае, когда диаметр изделия
меньше диаметра катушки; при этом вводится коэффициент за-
полнения А, который определяется следующим выражением:
d2
щ __ “изделия
d2
катушки
(12.4)
Амплитуда магнитного потока в стержне в зависимости от
глубины проникновения показана на фиг. 225. Если стержневое
изделие заменить трубой, то независимым параметром стано-
вится толщина стенки трубы; диаграмма импеданса для этого
случая показана на фиг. 226.
Распределение вихревых токов в стенке трубы подобно рас-
пределению токов в сплошном стержне. Относительная плот-
10*	291.
ность магнитного потока на внутренней стенке трубы, найден-
ная расчетным путем, представлена на фиг. 227.
Таким образом, с помощью фазочувствительных контуров
имеется возможность установить, обусловлено ли изменение
Фиг. 225. Изменение относитель-
ной плотности магнитного потока
в металлическом цилиндре в зави-
симости от глубины проникнове-
.	2
ния; [с —------? , где Ц — маг-
ярдО z
нитная проницаемость в
у — электропроводность в жаом/м;
/--частота в гц\ D — диаметр
цилиндра в м.
импеданса отклонениями раз-
меров или изменением элек-
тропроводности. На фиг. 228
показано относительное изме-
Фиг. 226. Диаграмма импеданса
катушки, окружающей металли-
ческую трубу; fc = —^7 ,
где Ji — магнитная проницаемость
в гн/м-, у — электропроводность в
мо/м\ Dp — диаметр детали в м;
Dc — диаметр катушки в м; / —
Dp т
частота в гц\ v = ~ • Толщина
стенки указана в процентах от
внешнего диаметра.
нение импеданса при изменении диаметра испытуемого изде-
лия на 1 %.
Детектирование вихревых токов. Проблема детектирования
вихревых токов усложнена тем, что вихревые токи должны
быть обнаружены индуктивным способом. Кроме того, любые
изменения промежутка между изделием и катушкой сказывают-
ся на характере распределения и величине вихревых токов; од-
нако во многих случаях влияние подобных эффектов может быть
исключено.
292
Наличие дефектов или колебаний физической, химической
или металлургической структуры может быть обнаружено по
изменению кажущегося импеданса катушки возбуждения либо
другой, независимой
катушки.
Измерительные ка-
тушки и щупы. Наибо-
лее распространены
три основных типа из-
мерительных катушек:
Фиг. 227. Относительная плот-
ность магнитного потока на
внутренней стенке металличе-
ской трубы в зависимости от
толщины стенки;/с— D2 ,
Р
где ц—магнитная проницае-
мость в гн1м\ у — электропро-
водность в л!о/л!; Dp — внеш-
ний диаметр трубы в м; f —
частота в гц.
Фиг. 228. Изменение импе-
данса катушки при измене-
нии диаметра образца на
1% в зависимости от вели-
f
чины отношения—.
!g
охватывающая (проходная), точечный щуп1 и внутренняя (бо-
бинная) (фиг. 229).
Охватывающая катушка полностью окружает изде-
лие и «опрашивает» кольцевой слой испытуемого изделия, ши-
рина которого равна эффективной ширине катушки. Точечный
щуп представляет собой катушку малых размеров, которую
можно поместить вблизи поверхности изделия. Точечный щуп
1 В отечественной литературе принят термин «накладная катушка».
(Прим, перев.). s
293
«опрашивает» площадь, равную площади поперечного сечения
щупа. Конструкция внутренней или бобиннсй катушки преду-
сматривает возможность ее перемещения внутри трубы или
сверления.
В соответствии с другим способом классификации измери-
тельные катушки разделяются на абсолютные и дифференци-
альные. Термин «абсолютная катушка» используется для обоз-
начения того факта, что измеренная величина непосредственно
Абсолютная	Дифференциальная
Фиг. 229. Типы измерительных катушек.
не сопоставляется с некоторой стандартной величиной. В диф-
ференциальном типе измерительных катушек используются две
противодействующие катушки, включенные последовательно.
Такое устройство можно использовать двумя способами. В пер-
вом случае в поле одной катушки помещается стандартное или
заведомо доброкачественное изделие; в поле другой катушки
помещается испытуемое изделие. Если испытуемое изделие ока-
зывается доброкачественным, выходное напряжение соединен-
ных последовательно катушек равно нулю; если стандартное и
испытуемое изделия по каким-либо причинам различаются, воз-
никает некоторое отличное от нуля выходное напряжение. Во
втором случае две катушки помещаются на одной оси так, что
испытуемое изделие, перемещаясь, проходит через обе катуш-
294
ки; при этом два соседних сечения изделия сравниваются меж-
ду собой. Дифференциальная измерительная катушка не обла-
дает высокой чувствительностью по отношению к постепенным
изменениям диаметра или структурных свойств, но она весьма
чувствительна к коротким трещинам.
Если дефект имеет достаточную протяженность и перекры-
вает обе катушки, этот метод позволяет зарегистрировать лишь
момент входа дефекта в зону, контролируемую искательным
устройством, и момент выхода из нее. Конфигурация и частота
тока как для возбуждающей, так и для приемной катушек
должны подбираться в соответствии с конкретными условиями
испытаний.
Катушки могут иметь воздушные или магнитные сердечники;
последние позволяют повысить чувствительность или разреша-
ющую способность искательного устройства. С этой же целью
измерительные катушки могут быть сделаны настраиваемыми.
Увеличить разрешающую способность можно также путем
экранировки катушек магнитным материалом или медью.
. Влияние дефектов на - импеданс катушки обычно носит
крайне сложный характер, и его теоретический анализ с до-
статочной степенью точности не представляется возможным,
но использование специальных опытных образцов или искус-
ственных дефектов позволяет сделать необходимые уточнения
конкретных характеристик катушки. Кроме того, во многих
случаях, особенно при использовании измерительных катушек
малых размеров, на результатах испытаний сказывается влия-
ние индуктивности подводящих проводов, которая может быть
больше индуктивности самой катушки. При высоких частотах
испытаний искажение результатов может быть обусловлено рас-
пределенной емкостью и паразитной емкостью проводов.
Размеры и вид измерительной катушки определяются мате-
риалом испытуемого изделия, а также разновидностью и раз-
мерами дефекта. Если желательно измерить полную электро-
проводность цилиндрического изделия, то наилучшие резуль-
таты могут быть получены с помощью цилиндрической катушки.
Частота тока возбуждения должна быть достаточно низкой,
чтобы обеспечить приемлемую глубину проникновения вихре-
вых токов, Такая катушка обладает значительным концевым
эффектом, который может быть уменьшен электрической экра-
нировкой или применением катушки, длина которой превышает
длину испытуемого изделия. Если необходимо провести кон-
троль поверхностной или подповерхностной зоны изделия, то
можно использовать сборку, состоящую из плоских катушек
малых размеров. Протяженность эффективного поля таких ка-
тушек невелика; вследствие этого их полезная чувствительность
ограничена глубинами порядка одного-двух диаметров катушки
независимо от вычисленной стандартной глубины проникно-
вения.
295
Если дефект имеет те же размеры, что и катушка, сигнал
возникает в момент прохождения катушки над дефектом. Од-
нако, если катушка по размерам больше дефекта и характери
зуется определенной «кольцевой» формой, то дефект будет да-
вать два сигнала, каждый из которых соответствует пересече-
нию границ поля катушки. Для катушки данного диаметра чув-
ствительность к обнаружению дефекта быстро падает, когда
Фиг. 230. Диаграмма импеданса измери-
тельной катушки накладного типа при ча-
стоте 4,8 Кгц.
Фиг. 231. Диаграмма импе-
данса измерительной ка-
тушки накладного типа при
частоте 100 Кгц.
размер дефекта становится меньше диаметра катушки. Харак-
теристики сигналов зависят от свойств испытуемого изделия и
конкретной геометрии испытаний.
В настоящее время не существует законченной теории ра-
боты измерительных катушек. Это обстоятельство до некоторой
степени искупается наличием большого количества эмпириче-
ских данных; некоторые из них показаны на фиг. 230 и 231.
Графики представляют собой изменение импеданса катушки в
функции электропроводности испытуемого материала. Сплош-
ная кривая на фиг. 230 соответствует результатам, полученным
при размещении измерительной катушки на материале «бес-
конечной» толщины.
В данном случае понятие «бесконечной» толщины означает,
что поле измерительной катушки не проникает через испытуе-
мый материал. На эту кривую нанесены химические символы
металлов, соответствующие различным значениям электропро-
296
водности. С возрастанием электропроводности о импеданс изме-
няется в направлении, показанном стрелкой. Если, например,
катушка размещается на поверхности цинка, то ее индуктив-
ность будет определяться точкой на сплошной кривой, отмечен-
ной символом Zn.
Когда катушка поднимается над поверхностью на расстоя-
ние 0,1 мм, импеданс изменяется до значения, определяемого
точкой А на фиг. 230. При дальнейшем подъеме катушки над
поверхностью величина импеданса проходит положения В, С,
D и т. д. Направление изменения импеданса в зависимости от
расстояния над поверхностью показано также и для других
материалов. Направление изменения импеданса в зависимости
от рассеяния между катушкой и поверхностью отличается от
направления изменения импеданса при изменении электропро-
водности. Эта разность фаз позволяет измерить электропровод-
ность независимо от наличия изолирующей пленки на металле
или, наоборот, измерить толщину непроводящего слоя незави-
симо от электропроводности основного металла.
Если толщина изделия из цинка составляет 0, 3 мм, то точка,
определяющая величину импеданса катушки, переместится в
положение Е, а при дальнейшем уменьшении толщины — соот-
ветственно в положение Е, G и т. д. Таким образом, при умень-
шении толщины испытуемого изделия импеданс измерительной
катушки будет изменяться вдоль одной из кривых, нанесенных
на графике и соответствующих материалу испытуемого изде-
лия. Из графика также следует, что «бесконечная» толщина
металла меняется в соответствии с его электропроводностью;
например, 5 мм олова составляет «бесконечную» толщину, в то
время как для меди этот параметр равен всего лишь 2 мм.
Сигнал, снятый с измерительной катушки, необходимо транс-
формировать, чтобы его можно было зарегистрировать, или
проанализировать, или использовать для срабатывания авто-
матического контура. На практике для достижения этих целей
используются самые разнообразные методы. Конкретный спо-
соб обработки сигнала определяется условиями и задачами
испытаний; функция детектора заключается в том, чтобы за-
регистрировать абсолютные отклонения характеристик сигнала
катушки или превышение этих отклонений над некоторым за-
данным значением.
Детекторами могут служить как обыкновенные амперметры
или вольтметры, регистрирующие амплитуду сигнала, так и
импедансные мосты, фазоизмерительные осциллоскопы и фазо-
амплитудные детекторные схемы, которые позволяют произво-
дить более сложный анализ сигнала. В детекторах одного типа
измерительная катушка составляет часть колебательного кон-
тура с ламповым генератором, и влияние испытуемого изделия
на импеданс катушки определяется по изменению характери-
стик колебательного контура. В некоторых детекторах сигнал
297
катушки может быть использован непосредственнр; в детекто-
рах другого типа необходимо модифицировать сигнал путем
сочетания его с балансным сигналом определенной амплитуды
и фазы, чтобы обеспечить сигнал, требуемый для правильной
работы детектора.
Компенсация влияния зазора между датчиком и изделием,
При проведении неразрушающих испытаний по методу вихре-
вых токов на результатах испытаний особенно сказывается на-
личие зазора переменной величины между катушкой и образ-
цом. При испытании изделий кругового поперечного сечения с
помощью круговой охватывающей катушки изменение вели-
чины промежутка между катушкой и изделием может быть
обусловлено колебаниями диаметра изделия; при испытании
плоских изделий, таких как пластины, с помощью точечного
щупа изменение этого промежутка может быть вызвано неров-
ностями на поверхности изделия либо колебаниями щупа или
изделия. Испытания, проводимые в производственных условиях,
связаны с непрерывным перемещением щупа параллельно по-
верхности испытуемого изделия; при этом предпочтительно,
чтобы щуп не касался изделия. Исследование проблемы умень-
шения влияния переменного зазора между щупом и изделием
описано в работах [4], [5], [6]. В большинстве случаев промежу-
ток между щупом и изделием может контролироваться механи-
ческим путем, например с помощью тефлоновой ленточной
прокладки или путем закрепления щупа на каретке, снабжен-
ной сервомеханизмом. Однако в некоторых случаях сложный
профиль поверхности и геометрические условия испытаний мо-
гут вызвать необходимость создания специальных электронных
схем, предназначенных для компенсации влияния зазора.
Другой метод уменьшения этого влияния заключается в ис-
пользовании фазометра, который автоматически корректируется
в соответствии с изменениями, обусловленными колебаниями
зазора. Зависимость импеданса катушки, расположенной вбли-
зи плоского куска неферромагнитного металла, от зазора между
катушкой и поверхностью металла исследована в работе [7];
в графической форме подобная зависимость изображена на
фиг. 232, где по оси ординат отложена доля индуктивности в
свободном пространстве, полученная при расположении ка-
тушки вблизи металла, LILQ\ по оси абсцисс отложено норма-
лизованное дифференциальное изменение сопротивления, отсчи-
танное от величины сопротивления в свободном пространстве
и поделенное на постоянную, равную реактивности в свободном
пространстве, bRfwLo. Ось катушки располагалась при этом
перпендикулярно поверхности металла.
На фиг. 232 показан типичный пример кривой, полученной
при постоянном зазоре между щупом и изделием и изменении
величины электропроводности металла. *
Любые данные, получаемые при испытаниях по методу ви- •
298
хревых токов, связаны с изменением реактивного и индуктив-
ного сопротивления измерительной катушки. Непосредственное
измерение малых изменений сопротивления катушки представ-
ляет собой длительный и достаточно утомительный процесс;
поэтому измерения следует производить в более удобной фор-
ме. Одним из способов достижения этой цели является вклю-
чение щупа в мостовую схему
переменного тока.
Балансировка такого моста
может быть проделана в соответ-
ствии с конкретными условиями
испытаний. Изменение зазора
между катушкой и изделием или
изменение электропроводности
изделия вызовет разбаланс мо-
ста и появление на клеммах де-
тектора синусоидального напря-
жения. В системе, используемой
Ренкеном, был применен мост
Оуэна, который балансировался
с катушкой щупа, размещенного
в удалении от любого металли-
ческого изделия. Изменение ве-
личины импеданса, измеряемого
с помощью такой схемы, относи-
тельно мало при изменении в
широких пределах величины за-
зора. Это обстоятельство дает
возможность сбалансировать
мост при большом удалении щу-
па от изделия и является преиму-
ществом подобной схемы.
Фиг. 232. Изменение импеданса в
зависимости от зазора между дат-
чиком и изделием:
I — удельное электрическое сопротив-
ление металла в мком • см, II — рас-
стояние между датчиком и образцом
в мм.
Балансные схемы позволяют при испытаниях исключить
влияние одного из эффектов, обусловленного изменением за-
зора катушка — металл. Другой эффект, который также дол-
жен быть принят во внимание, связан с изменением чувстви-
тельности этого прибора при изменении величины зазора. Экс-
периментально было обнаружено, что в диапазоне практических
значений величины зазора чувствительность прибора не зависит
от изменения этого параметра [7].
Многочастотная схема. Ренкен и Майерс [8] разработали
многочастотную схему контроля по методу вихревых токов.
В изделии наводятся вихревые точки двух различных частот.
Одна частота (высокочастотный канал) используется для ком-
пенсации влияния колебаний величины зазора между щупом и
изделием, другая частота (низкочастотный канал) используется
для получения необходимой информации при испытании из-
делия.
299
Фиг. 233. Многочастотная схема контроля по методу вихревых токов;
1 — автоматический контроль стабильности, 2 — высокочастотный усилитель, 3 — вы-
прямитель, 4 — регистрирующий прибор, $ —компенсатор напряжения, 6 — высоко-
частотный осциллятор, 7 — низкочастотный усилитель, 8 — низкочастотный осцилля-
тор, 9 — низкочастотный мостовой контур, /0 — датчик, // — высокочастотный мосто-
вой контур.
ВЫХОД-
Фиг. 234. Влияние компенсирующего контура
ного напряжения от зазора между
на характер зависимости
датчиком и изделием.
мм
ММ
Зазор
О)
Фиг. 235. Влияние компенсирующего контура на характер зависимости изме-
ренной толщины покрытия от зазора между датчиком и изделием.
О 0,25 0.50 0.75 1,0 мп
Зазор
е)
300
Блок-схема прибора подобного типа изображена на фиг. 233.
Общим элементом мостовых контуров является измерительная
катушка щупа. Характеристики высокочастотного канала не
зависят от материала изделия, но этот канал весьма чувстви-
телен к изменению зазора между изделием и катушкой. Напря-
жение на выходе высокочастотного
изменения коэффициента усиле-
ния в низкочастотном канале
так, чтобы компенсировать влия-
ние колебаний величины зазора
между щупом и изделием. На
фиг. 234, а показана зависимость
выходного напряжения низкоча-
стотного канала от зазора меж-
ду катушкой и изделием, а на
фиг. 235, а — изменение изме-
ренной толщины покрытия на из-
делии в зависимости от этого па-
раметра.
Влияние введения компенси-
канала используется для
Фиг. 236. Блок-схема «Цикло-
графа»:
/ — измерительная катушка,. 2— об-
разец, 3 — модулированный осцил-
лятор, 4 — основной осциллятор,
5 — электронно-лучевой осцилло-
скоп, 6 — фильтр, 7 — самопишущий
прибор постоянного тока.
рующего контура проиллюстри-
ровано на фиг. 234, б и 235, б.
В настоящее время в про-
мышленности используется мно-
го контрольно-измерительных
приборов, основанных на прин-
ципе вихревых токов; в число
этих приборов входят «Цикло-
граф», «Проболог», «Дермитрон», «Магнатест» и другие при-
боры Форстера, а также приборы типа «Метрол». Помимо этого,
в литературе описан целый ряд приборов специального назна-
чения. Ниже приведено описание некоторых из этих приборов
и представлены типичные результаты неразрушающих испыта-
ний, проведенных с их помощью.
«Циклограф». «Циклограф» (фиг. 236) представляет собой
колебательный контур, соединенный с измерительной катушкой.
Частота колебаний контура равна резонансной частоте измери-
тельной катушки при шунтировании катушки с подводящим
кабелем и входной емкостью прибора. В результате экспери-
мента установлено, что рабочая ось «Циклографа» составляет
угол приблизительно 2° с осью активного сопротивления диа-
граммы импеданса. Следовательно, исходя из диаграммы импе-
данса, можно сделать вывод, что во всех практических слу-
чаях активная компонента является единственной компонен-
той изменения импеданса, которая эффективно влияет на
изменение амплитуды колебаний «Циклографа». Из диаграммы
импеданса можно видеть, что два фактора — увеличение удель-
ного сопротивления и уменьшение диаметра испытуемого об-
301
разца — оказывают противоположное влияние на изменение
активного импеданса катушки. Таким образом, существует ве-
роятность взаимного уничтожения сигналов, обусловленных
этими двумя факторами, и, как следствие этого, создания у
оператора ложного представления о величине и характере де-
фекта. Это обстоятельство является существенным недостатком
«Циклографа», особенно в случае применения проходной ка-
тушки.
Каждый вид материала характеризуется определенным со-
противлением на единицу длины; эта величина определяет па-
раметры настройки прибора; например, при испытании урана,
очехлованного алюминием, было обнаружено, что рабочая точ-
ка располагается слева от минимума кривой импеданса [9].
С другой стороны, неочехлованный уран обладает достаточно
высоким сопротивлением, что обусловливает необходимость ра-
боты «Циклографа» в области справа от минимума параболы.
Таким образом, наличие трещины в неочехлованном урановом
стержне сказывается в увеличении сопротивления, что вызывает
увеличение амплитуды. Если урановый стержень очехловаи,
то «Циклограф» должен работать слева от минимума, и тре-
щина вызывает уменьшение амплитуды. Изменение сопротив-
ления, обусловленное дефектом, обычно составляет величину
порядка нескольких процентов, поэтому рабочая область со-
ставляет лишь небольшой участок параболы. Так как этот ма-
лый участок представляет собой почти прямую линию, то и
характеристика «Циклографа» в основном линейна.
«Циклограф» крайне чувствителен к изменениям сопротив-
ления в том случае, когда колебания имеют малую амплитуду
(поскольку при этом изменение амплитуды, вносимое дефек-
том, имеет большее относительное значение). Однако время
срабатывания «Циклографа» является функцией чувствитель-
ности прибора. Когда прибор настроен на максимальную чув-
ствительность, время срабатывания увеличивается до такой сте-
пени, что быстрое сканирование изделия становится невозмож-
ным. Эту трудность можно преодолеть, если эксплуатировать
прибор в таком режиме, при котором амплитуда колебаний
(наблюдаемая визуально на экране электронно-лучевой труб-
ки) все время сканирования остается вблизи максимума. По-
терю чувствительности можно компенсировать увеличением чув-
ствительности самопишущего прибора. Небольшие изменения
амплитуды могут быть «увеличены» с помощью противодейст-
вующего напряжения, приложенного к выходному сигналу [9].
Такая схема «увеличивает» изменение напряжения, обуслов-
ленное дефектами в изделии и в то же время обеспечивает
линейную характеристику в отношении изменения сопротив-
ления.
Разрешающая способность «Циклографа» при использова-
нии проходных катушек определяется длиной катушки: чем ко-
302
роче катушка, тем выше разрешающая способность. Однако**
при уменьшении длины катушка менее ~3,2 мм значительного
увеличения разрешающей способности не происходит; чувстви-
тельность при этом снижается из-за уменьшения глубины про-
никновения. Чувствительность прибора к выявлению дефектов
при увеличении зазора между изделием и катушкой падает.
Было установлено, что внутренний диаметр катушек не должен
превышать диаметра испытуемого изделия более, чем на 0,25—
0,38 мм.
Обмотка измерительных катушек выполняется двунитной
(бифилярной); при намотке две проволоки должны уклады-
ваться как можно ближе одна к другой. После намотки необ-
ходимого числа витков две катушки соединяются последова-
тельно, причем внутренний вывод одной катушки соединяется
с внешним выводом другой. Три результирующих вывода при-
соединяются к входным клеммам «Циклографа» с помощью
кабеля. Частота «Циклографа» определяется частотой собст-
венного резонанса измерительной катушки при соединении ее
параллельно с емкостью подводящих проводов и внутренней
паразитной емкостью.
Применение «Циклографа» для контроля труб. Качество
труб контролировалось с помощью «Циклографа» Оливером
[10]. Оптимальная чувствительность к выявлению дефектов,
расположенных на внутреннем и на внешнем диаметре, может
быть получена путем правильного выбора рабочей частоты не-
зависимо от диаметра, толщины стенки и материала трубы.
Путем выбора рабочей частоты можно также сохранить
одной и той же величину относительной чувствительности вне
зависимости от свойств контролируемой трубы. На фиг. 237
представлен график показаний «Циклографа» в зависимости
от толщины стенки трубы; отношение f/fc играет роль выне-
сенного параметра. Опыт показал, что оптимальная чувстви-
тельность к выявлению дефектов на внешнем и на внутреннем
диаметре достигается при таком отношении f/fc, которое соот-
ветствует кривой с экстремумом в окрестности толщины стенки
исследуемой трубы. Как правило, неоднородности, расположен-
ные в стенке трубы, вызывают появление сигналов, которые
воспринимаются как уменьшение толщины стенки. Вследствие
этого зона рабочих точек выбирается слева от отрицательных
пиков на кривых; таким образом, неоднородности, уменьшение
толщины стенки, уменьшение диаметра вызывают увеличение
показаний прибора, в то время как увеличение толщины стенки
или диаметра вызывает уменьшение показаний.
Показания «Циклографа» сами по себе не позволяют судить
о характере и размере дефекта. Расшифровка этих показаний
может быть облегчена с помощью специально спроектирован-
ного механизма, обеспечивающего постоянную скорость пере-
мещения трубы в катушке, а также с помощью автоматической
303
записи результирующих сигналов. Ложные сигналы, обуслов-
ленные дрожанием трубы в катушке, могут быть исключены
с помощью такого механизма подачи, в котором измерительная
катушка свободно перемещается по трубе. Сигналы, вызванные
относительно небольшими неоднородностями, обычно легко от-
делить от тех сигналов, которые обусловлены размерными от-
Фиг. 237. Показания «Циклографа» в зависимости от толщины стен-
f ( .	2
ки трубы при изменении параметра — [ fc =--— , где и, —маг-
fc \ wZ)2
нитная проницаемость в гн1м\ у — электропроводность в мо/лт, D —
внешний диаметр в м).
резких выбросов. Это показано на фиг.. 238; резкий всплеск
на кривой самописца вызван внешней радиальной трещиной
глубиной 0,9 мм в трубе из гастеллоя В диаметром 6,35X
Х1,25 мм. Примером очень малых дефектов, которые могут
быть обнаружены по этому методу, являются межкристаллит-
ные изъязвления глубиной от 0,025 до 0,05 мм на внутренней
поверхности трубы, микрофотография которой показана на
фиг. 239. Эти дефекты были обнаружены в трубе из инконеля
диаметром 6,35 мм и толщиной стенки 0,635 мм по характер-
ному «горбу» на кривой самописца. Иногда на внутренней
стенке повторно тянутых труб встречаются вкрапленные части-
цы постороннего металла, обладающего высокой магнитной
проницаемостью. Наличие таких включений обнаруживается
резкими провалами на кривой самописца, по направлению про-
тивоположными пикам, вызванным трещинами или межкристал-
литными изъязвлениями. Следует подчеркнуть, что все токових-
ревые методы крайне полезны для измерения или контроля труб
по размерным допускам, так как даже малое изменение диа-
метра или толщины стенки вызывает значительное изменение
импеданса.
304
Фиг. 238. Диаграмма самописца и микрофотография де-
фекта в трубе из гастеллоя. Прибор: «Циклограф» с
охватывающей катушкой; частота 160 Кгц.
Фиг. 239. Диаграмма самописца и микрофотография де-
фекта в трубе из инконеля. Прибор: «Циклограф» с
охватывающей катушкой; частота 200
Трудно сделать общий вывод относительно чувствительно-
сти контроля с помощью проходной катушки к выявлению ма-
лых дефектов. Поскольку импеданс катушки зависит от состоя-
ния металла по всей ее длине, то существует вероятность
того, что неглубокий дефект значительной протяженности вы-
зовет возникновение такого же или даже большего по величине
сигнала, что и короткий, глубокий дефект. Такого положения
можно избежать путем уменьшения длины катушки, но это
уменьшение не может быть беспредельным; следовательно, по-
добный метод контроля не чувствителен к выявлению пор, за
исключением тех случаев, когда поры образуют большие скоп-
ления. Другим ограничением при обнаружении крайне малых
неоднородностей является отношение «сигнал — помеха»; обна-
ружить дефект невозможно, если- сигнал, который он вызывает,
мал по сравнению с сигналами, обусловленными всеми прочими
отклонениями (включая размерные отклонения). Максималь-
ная чувствительность, которая может быть получена при прак-
тическом использовании «Циклографа», ограничена выявлением
дефектов, длина которых сравнима с длиной катушки (или
больше ее), а глубина составляет величину порядка 5% или
более от толщины стенки.
Применение «Циклографа» для контроля тепловыделяющих
элементов. Аргонская Национальная Лаборатория [9] исполь-
зовала «Циклограф» для контроля цилиндрических сердечни-
ков и деталей оболочки тепловыделяющих элементов ядерного
реактора.
Испытуемые тепловыделяющие элементы представляли со-
бой урановые стержни внешним диаметром 25,4 мм, заклю-
ченные в оболочки из алюминия марки 1100, изготовленные с
помощью ’ экструднрования. Сцепление урана с оболочкой осу-
ществлялось с помощью алюмокремниевого (Al-Si) сплава.
В процессе очехловки возможно возникновение зон несцепления
либо на границе уран—Al-Si, либо на границе Al-Si —
алюминий. Отсутствие сцепления может быть вызвано местной
несмачиваемостью алюмокремниевым сплавом алюминия или
урана, либо посторонним материалом на поверхности алюминия
или урана. Так как процесс очехловки урановых сердечников
мог привести к уменьшению толщины покрытия, то необходимо
было определить, отвечает ли покрытие установленным требо-
ваниям. Измерение толщины покрытия имеет большое значе-
ние, поскольку долговечность тепловыделяющего элемента оце-
нивается исходя из минимальной толщины очехловки. Цель
проведенной работы заключалась в оценке применимости «Цик-
лографа» для выявления пустот и трещин в контактном под-
слое, зон несцепления и утонений оболочки элементов.
С помощью «Циклографа» были также исследованы восем-
надцать очехлованных тепловыделяющих элементов, содержа-
щих искусственно созданные зоны несмачивания. Для двенад-
306
цати элементов из этой группы получены четкие и резкие изо-
бражения дефектов; для других шести элементов изображения
дефектов были менее определенными. Выявление зон несмачи-
ваемости представляет известный интерес, поскольку подобные
зоны между контактным подслоем и ураном крайне мало умень-
шают площадь поперечного сечения, по которому проходят
вихревые токи. Следует подчеркнуть, что искажения кривой
самописца, обусловленные зонами несмачивания, по направле-
Фиг. 240. Характеристики четырех тепловыделяющих элементов, получен-
ные с помощью «Циклографа»:
А — заваренный конец, Б — зона несмачивания, В — нижний конец.
нию совпадают с искажениями, вызванными утонением стенки
оболочки; поэтому эти два дефекта для данного типа тепло-
выделяющих элементов неразличимы между собой. Характери-
стики четырех из двенадцати элементов, снятые с помощью
«Циклографа», показаны на фиг. 240. Протяженность зон не-
смачивания по диаметру для этих элементов составляла при-
близительно 12 мм. Расположение зон, выявленное с помощью
«Циклографа», хорошо согласуется с результатами, получен-
ными с помощью других методов испытаний, в том числе раз-
рушающих (механическое удаление оболочки с одного из эле-
ментов). За исключением зон несмачивания кривая является
сравнительно гладкой и довольно круто падает к заваренному
концу. На основании результатов испытаний этих 18 тепловы-
деляющих элементов можно сделать вывод, что зоны несмачи-
вания хорошо распознаются на кривой «Циклографа». Разли-
чие величины индикаций для групп из 12 и 6 элементов может
быть объяснено, вероятно, разной толщиной оксидной пленки
в этих двух случаях.
307
На внутренней поверхности нескольких алюминиевых обо-
лочек в процессе изготовления были нанесены небольшие ме-
стные углубления с целью определить выявляемость утонений
алюминиевой оболочки с помощью «Циклографа». Очехловка
урановых сердечников такими оболочками производилась обыч-
ным способом. Металлографические исследования этих элемен-
Фиг. 241. Характеристика дефект-
ного элемента, полученная с по-
мощью «Циклографа»:
/ — заваренный конец, 2 — углубление
в оболочке, 3 — нижний конец.
тов показали, что в зоне
углублений достигается полное
смачивание контактным спла-
вом как алюминия, так и
урана. Толщина стенки обо-
лочки в зоне углублений была
различной и составляла при-
близительно 0,127, 0,254, 0,38
и 0,5 мм. На характеристике,
снятой с помощью «Цикло-
графа», наличие в тепловыде-
ляющем элементе искусствен-
ных дефектов такого рода про-
явилось в виде довольно рез-
ких искажений (фиг. 241).
Эти образцы были использо-
ваны в качестве стандартных
для сравнения с образцами,
испытанными в разное время
при различной чувствитель-
ности (изменение чувствитель-
ности, однако, было незначи-
тельным), а также для того, чтобы установить относительную
величину выявляемых неоднородностей.
Было обнаружено, что в некоторых изделиях существует
большое число неоднородностей, распределенных по всей длине
тепловыделяющего элемента; имеются основания предполагать,
что большая часть этих неоднородностей была обусловлена
крайне малыми газовыми пузырьками в контактном подслое.
Это предположение до некоторой степени подтверждается авто-
радиограммами, на которых на длине 5—7 см иногда наблю-
дается до 25 таких пузырьков.
Кроме недостатков прибора, упомянутых выше, существует
также проблема идентификации искажений характеристической
кривой, обусловленных пузырьками в контактном подслое и ме-
стными утонениями алюминиевой оболочки. Маленький пузы-
рек может вызвать такое же искажение кривой, как и зона
утонения, вследствие высокого удельного электросопротивления
газа, содержащегося в пузырьке. Другим недостатком является
трудность исследования концевых участков, так как на обоих
концах тепловыделяющего элемента находятся алюминиевые
пробки.
308
Внезапное увеличение поперечного сечения оболочки вызы-
вает резкое изменение амплитуды на небольшом концевом
участке; это изменение происходит настолько быстро, что ве-
роятность выявления на этом участке любой неоднородности
весьма мала.
«Проболог». Этот промышленный прибор, применяемый при
проведении неразрушающих испытаний токовихревым методом,
первоначально предназначался
для коррозионного контроля не-
магнитных трубопроводов и в те-
чение многих лет использовался
при испытаниях теплообменников
на нефтеочистительных заводах,
химических фабриках, в город-
ском хозяйстве и на морских
судах. «Проболог», блок-схема
которого изображена на фиг. 242,
по существу представляет собой
импедансный мост, работающий
Фиг. 243. Схема измерительно-
го моста, используемого в
«Пробологе»:
1 — сердечник из материала с вы-
сокой магнитной проницаемостью,
2—место расположения катушки 4,
3— место расположения катушки В,
4 — осциллятор.
Фиг. 242. Блок-схема «Проболога»:
1 — мост искания нуля, 2 — механическая
связь, 3 — компенсирующий мост, 4 — фа-
зовращатель, 5 — измерительный мост,
6 — предусилитель, 5 — дискриминатор,
8 — усилитель мощности, 9 — осциллятор
при фиксированной частоте, соединенный с самопишущим
прибором. Чувствительным элементом этого прибора является
сердечник высокой магнитной проницаемости, на который на-
мотаны две катушки, образующие два плеча импедансного
моста. Мост сбалансирован, если исследуемый материал вблизи
обеих катушек обладает одинаковыми электрическими и маг-
нитными свойствами; когда какое-либо условие нарушает нор-
мальное распределение вихревых токов в поле одной из кату-
шек, импеданс катушки меняется и мост выводится из равно-
весия, что вызывает отклонение пера самописца. Как можно
заметить на фиг. 242, в «Пробологе» последовательно соединены
309
два мостовых контура — измерительный мост и мост искания
нуля. Фазовращательная схема и компенсирующий мост исполь-
зуются для корректировки и балансировки электрического
сигнала, который поступает от измерительного моста на пред-
усилитель, а также для компенсации несимметричности изме-
рительного устройства. «Проболог» модель Е работает при
частоте* 1 Кгц и имеет четырехпозиционный фазовращатель.
Усовершенствованные модели этого прибора работают при
частотах от 1 до 18 Кгц и имеют плавнорегулируемый фазо-
вращатель.
а)	5)
Фиг. 244. Датчик «Проболога»:
/ — отверстие в стенке трубы, 2 — труба.
Измерительный мост, используемый в «Пробологе», пока-
зан на фиг. 243. Для создания необходимого реактивного и ак-
тивного баланса в системе «измерительное устройство — подво-
дящие кабели» предусмотрены потенциометры. Чувствитель-
ность прибора также изменяется с помощью потенциометра,
который определяет относительную величину сигнала, подавае-
мого с фазовращателя на предусилитель.
Типичная конфигурация сердечника чувствительного эле-
мента прибора показана на фиг. 244. Наведенные в трубе вих-
ревые токи протекают преимущественно в окружном направле-
нии. На фиг. 244, а одна из катушек располагается против
отверстия в стенке трубы; импеданс обоих катушек в этом
случае различен, и на выходе моста возникает сигнал разба-
ланса. Когда напротив отверстия оказывается другая катушка,
на выходных клеммах возникает сигнал противоположной
фазы.
На фиг. 245 показана кривая, снятая при перемещении дат-
чика прибора с постоянной скоростью в трубе, содержащей
искусственные дефекты различного рода. Величина отклонения
кривой самописца, вызванного дефектом данного вида, зависит
от большого числа факторов, таких как вид дефекта, его ори-
ентация и очертания, изменение объема материала и т. д. Если
труба или сечение трубы имеет равномерное по всей длине
зю
утонение, то сигнала на выходе моста не возникает, поскольку
импеданс обеих катушек будет одним и тем же. Эта проблема
может быть решена применением двух катушек различной
длины.
Применение «Проболога». Уоррен [11] упоминает об исполь-
самописца «Проболо-
га», полученная при
перемещении датчика
по трубе с искусст-
венными дефектами:
зовании «Проболога» для опре-
деления относительной твердости
немагнитных материалов, колеба-
ний толщины покрытия, скрытых
изменений геометрии агрегатов и
качества сварных соединений в
алюминиевых трубопроводах.
Результаты контроля сварных
швов на алюминии с помощью
«Проболога» приведены на
Л—повышенная скорость
перемещения, Б — нор-
мальная скорость пере-
мещения, 1 — отверстие
диаметром 1,6 мм, 2 —
отверстие диаметром
2,38 мм, 3 — отверстие
диаметром 3,2 мм, 4 —
утонение, соответствую-
щее 10% удаленного ме-
талла по объему, 5 —
Фиг. 246. Результаты контроля
сварных швов с помощью «Про-
болога».
утонение, соответствую-
щее 50% удаленного ме-
талла по объему.
311
фиг. 246; верхняя кривая соответствует доброкачественному со-
единению, средняя — сварному шву с мелкими дефектами и
нижняя — шву, содержащему крупные дефекты. Бетц [12] ис-
пользовал «Проболог» для выявления в циркаллоевых трубах
таких дефектов, как трещины, питинги, волосовины, морщины,
зарубины и т. д., а также для контроля толщины стенки трубы.
Судя по его данным, с помощью «Проболога» легко обнаружи-
ваются продольные трещины и волосовины, особенно сквозные;
длина выявленных продольных трещин составляла примерно
12 мм при глубине 0,127 мм. Однако этот прибор нечувствите-
лен к окружным, коротким и неглубоким трещинам.
Выявляемость питингов и зазубрин зависит от общего объе-
ма удаленного материала; выявляемым считается дефект, соот-
ветствующий удалению 1 % материала трубы на длине пример-
но 12 мм. Прибор регистрирует изменение толщины стенки,
достйгающее 1% от общей толщины трубы на длине 12 мм.
Компаратор металлов. Компаратор металлов, разработан-
ный фирмой Дженерал Электрик, также основан на принципе
изменения импеданса. Импеданс измерительной катушки ме-
няется в зависимости от электрических и магнитных свойств
испытуемого изделия. Это дает возможность установить коле-
бания химических и физических свойств изделия, поскольку они
связаны с электрическими и магнитными характеристиками.
Прибор состоит из осциллятора, балансного контура и измери-
тельных катушек. Рабочие частоты прибора составляют 50, 250,
1000, 4000 и 10 000 гц\ такой диапазон частот позволяет испы-
тывать как магнитные, так и немагнитные материалы. В про-
цессе проведения испытаний измерительная катушка поме-
щается на эталонное изделие и путем регулировки балансных
сопротивлений прибор устанавливается на нуль. Когда к изме-
рительной катушке подносится испытуемое изделие, по своим
характеристикам отличающееся от эталонного, импеданс дат-
чика меняется, вызывая разбаланс прибора. Этот прибор пер-
воначально использовался для сортировки металлов, опреде-
ления твердости металлических изделий, толщины слоя цемен-
тации и толщины покрытий [13].
Для выявления дефектов компаратор не предназначался;
попытки использовать его для этой цели были успешными лишь
в отдельных случаях.
Электромагнитные приборы Форстера. Другой класс про-
мышленных приборов, применяемых для неразрушающих ис-
пытаний по методу вихревых токов, был разработан Институ-
том Форстера. Принципиальная основа этих приборов была
развита д-ром Форстером в его работах [14], [15].
В наиболее многостороннем приборе этой серии «Магнате-
сте» («Мультитесте») применена дискриминация по фазам, что
дает возможность исключить влияние таких переменных, как
диаметр, не связанных с измеряемыми физическими характе-
312
ристиками. На основе «Магнатеста» Форстер создал бдльшое
число специализированных приборов —«Сигматест», «Дефекто-
метр», «Изометр», «Аргентометр», «Сигмафлюкс», детектор для
выявления трещин в трубах и стержнях, приборы для контроля
размерных отклонений стальных шариков и проволоки, толщи-
номеры и т. д. «Дефектометр» представляет собой прибор для
обнаружения трещин в немагнитных материалах. «Сигматестом»
измеряется электрическая проводимость неферритных метал-
Фиг. 247. Блок-схема «Магнатеста»:
1 — осциллятор 60 Кгц, 2 — усилитель, 3 — датчик, 4 — изделие, 5 — реги-
стрирующий прибор, 6 — регулировка чувствительности.
лов. «Сигмафлюкс» используется для контроля химического со-
става проволоки и стержней из неферритных металлов, а также
для выявления значительных трещин. С помощью «Изометра»
измеряют толщину непроводящих покрытий на немагнитном ос-
новном металле; толщину немагнитных металлических покры-
тий на немагнитном основном металле измеряют «Аргентомет-
ром».
Блок-схема «Магнатеста» показана на фиг. 247. Напряже-
ние, используемое для возбуждения измерительных катушек,
подается с осциллятора фиксированной частоты. Для того что-
бы свести к минимуму нагрузочное влияние соленоидов и фа-
зовращателя на частоту и напряжение осциллятора, в схеме
применен буферный усилитель. Напряжение с буферного уси-
лителя подается на две усилительные катушки, соединенные по
схеме потенциометрического контура переменного тока. Одна
из этих катушек окружает стандартное изделие, другая — из-
делие, предназначенное для испытания. Для балансировки по-
тенциометрического контура предусмотрено регулирующее
устройство; с помощью этого устройства устанавливают на
нуль регистрирующий прибор после того, как стандартное и
испытуемое изделия помещены в катушки. При пропускании
изделия через катушку дефекты будут вызывать нарушение ба-
ланса потенциометрического контура. Сигнал разбаланса по-
дается на катодный повторитель для снижения токов во вто-
313
ричной обмотке катушек, и затем усиливается в однокаскадном
трансформаторном усилителе.
Усиленный сигнал поступает на два фазочувствительных де-
тектора. Контрольный сигнал на фазочувствительные детекторы
отводится от того же самого сигнала, первоначально подавае-
мого на потенциометрический контур. Этот сигнал расщепляется
на синфазную и квадратурную компоненты, которые исполь-
зуются для возбуждения статорных обмоток фазовращателя.
Роторное напряжение фазовращателя в этом случае может быть
сдвинуто по фазе на 360° по отношению к первоначальному на-
пряжению на выходе буферного усилителя. Это напряжение
фазовращателя, в свою очередь, расщепляется на синфазную и
квадратурную составляющие, которые подаются на вход фазо-
чувствительных детекторов вместе с эталонным напряжением.
Напряжения, подаваемые на фазочувствительные детекторы,
могут быть, таким образом, сдвинуты на 360°; соответственно
могут быть сдвинуты по фазе напряжения на выходе детек-
торов.
Если фазовращатель, например, находится в нулевом поло-
жении, то на выходе верхнего фазочувствительного детектора
напряжение будет равно демодулированной синфазной ком-
поненте разбаланса потенциометрического контура, а напря-
жение на выходе нижнего фазочувствительного детектора —
соответственно квадратурной компоненте этого разбаланса.
Эти компоненты затем усиливаются и используются для откло-
нения пучка электронов в электронно-лучевой трубке в соот-
ветствии с их величиной. Экран электронно-лучевой трубки
представляет собой плоскость диаграммы импеданса, изобра-
женной на фиг. 218. Действительная рабочая точка отмечается
на экране световым пятном. При изменении импеданса измери-
тельной катушки, вызванном дефектами, положение светового
пятна на экране трубки меняется. Если в случае изделий из
однородного материала необходимо исключить из
рассмотрения сигналы, обусловленные изменениями диаметра,
то регулятор фазовращателя следует поставить в такое поло-
жение, чтобы перемещения светового пятна, вызванные колеба-
ниями диаметра, происходили по горизонтали и отмечались
лишь те перемещения светового пятна, которые близки к вер-
тикальным. Это особенно удобно в отношении регистрации
результатов испытаний, поскольку самопищущий прибор мо-
жет быть встроен в такой контур, который реагирует лишь на
вертикальные перемещения пучка; таким образом, самописец
будет регистрировать лишь изменение электропроводности ис-
пытуемого изделия.
В настоящее время разработано большое число токовихре-
вых приборов, которые широко применяются в ядерной энерге-
тике; некоторые из них обсуждались на Симпозиуме по при-
менению методов испытаний без разрушений в области ядер-
314
ной энергетики [16]. Ниже приведено краткое описание двух
приборов этой группы.
Прибор для контроля труб малого диаметра. В Ноллзской
Атомно-Энергетической Лаборатории разработан и применен
на практике прибор для контроля труб малого диаметра по
методу вихревых токов. В этом приборе изменение реактивного
и активного сопротивления измерительной катушки влечет за
собой изменение частоты осциллятора, используемого для воз-
буждения катушки. Частота этого осциллятора сравнивается с
некоторой эталонной частотой другого осциллятора.
При нормальных условиях оба осциллятора имеют одну и ту
же частоту, и разность частот равна нулю; в том случае, когда
испытуемое изделие является дефектным, частота рабочего
осциллятора изменяется, и разность частот растет прямо про-
порционально величине этого изменения. Если частота рабочего
осциллятора достаточно высока, но небольшое процентное от-
клонение индуктивного сопротивления измерительной катушки
приведет к значительному по абсолютной величине изменению
частоты.-
Однако при высоких частотах вихревые токи из-за скин-
эффекта концентрируются в поверхностных слоях исследуемой
трубы. Вследствие этого на практике приходится искать компро-
миссное решение для обеспечения как необходимой чувствитель-
ности, так и достаточной глубины проникновения.
В качестве осцилляторов использованы два идентичных ав-
тогенератора Хартли, причем особое внимание обращено на ме-
ханическое проектирование монтажной схемы и шасси. Рабо-
чий осциллятор индуктивно связан с образцом через
измерительную катушку и короткий коаксильный кабель ма-
лого сопротивления. Для преобразования малых колебаний
частоты в выходные сигналы постоянного тока, удобные для
регистрации с помощью обычных приборов-самописцев, в схему
введен частотно-чувствительный контур, включающий частот-
ный дискриминатор или демодулятор. Частота биений двух
осцилляторов подобрана так, что она соответствует средней
точке рабочего диапазона частотного дискриминатора. Выход-
ной сигнал дискриминатора после выпрямления представляет
собой сигнал постоянного тока, величина которого пропорцио-
нальна частоте биений рабочего осциллятора и осциллятора
сравнения.
В этом приборе изменение активного сопротивления мини-
мально, и им можно пренебречь. Расшифровка результатов
испытаний всецело основана на изменении индуктивного сопро-
тивления. Вследствие этого можно ожидать, что один и тот же
эффект будет обусловлен различными причинами; например,
небольшая вмятина, едва видимая невооруженным глазом, вы-
зовет такое же отклонение прибора, как и короткая продольная
трещина. Было также обнаружено, что контрольный прибор по-
315
добного вида крайне чувствителен к диаметру трубы. Несмотря
на это, уровень чувствительности прибора достаточно высок.
В результате проведения разнообразных разрушающих'иссле-
дований установлено, что прибор позволяет с большой степенью
надежности обнаруживать трещины глубиной 0,064 мм.
Некоторые из этих трещин, как показал металлографический
анализ, имели длину всего лишь 1,8 мм. С другой стороны, не-
которые несомненные дефекты, которые обнаруживаются ви-
зуально при большом увеличении, не регистрировались прибо-
ром. Глубина этих дефектов составляла от 0,012 до 0,025 мм
при длине до 2,5 мм.
Порог чувствительности этого прибора по глубине выявляе-
мого дефекта лежит между 0,025 и 0,064 мм в зависимости от
длины дефекта. Качественный контроль концевых участков тру-
бы длиной примерно 6 мм невозможен из-за концевых эффектов.
Прибор использовался для контроля труб с внешним диаметром
от 1,27 до 5,75 мм.
Прибор для определения степени межкристаллитной корро-
зии. Робинсон [17] описывает прибор, работающий по принципу
вихревых токов, который позволяет установить относительную
степень межкристаллитной коррозии, характерной для труб из
аустенитных нержавеющих сталей. Поскольку межкристаллит-
ная коррозия заключается в образовании системы мелких тре-
щин, проходящих вдоль границ зерен, то электрические
сопротивления пораженной коррозией и доброкачественной
труб различны. Схема прибора показана на фиг. 248. Измери-
тельная катушка подсоединена к осциллятору с настроенными
контурами анода и сетки. При размещении катушки на изделии,
амплитуда колебаний определяется электропроводностью изде-
лия. Выходное напряжение осциллятора выпрямляется кристал-
ловым детектором 1N54A так, что на лампу смещения 6SI7
подается отрицательный потенциал. Чем выше электрическое
сопротивление изделия, тем меньше смещение и тем больше
ток лампы.
Чувствительность прибора такова, что с его помощью можно
было обнаружить различие- между трубами, электрическое со-
противление которых составляет 165 и 190 мком/см; первая тру-
ба была доброкачественной, вторая — слегка корродированной.
Измерение толщины покрытий. Важной областью применения
неразрушающих испытаний по методу вихревых токов является
измерение толщины слоя одного металла, нанесенного на дру-
гой. Для этой цели различными исследователями применялись
синусоидальные и пульсирующие вихревые токи.
На фиг. 249 и 250 показаны графики зависимости фазового
угла выходного сигнала от толщины покрытия и рода основ-
ного металла. Эти графики получены с помощью прибора, раз-
работанного Ренкеном [6].
Соединив фазометр с самопишущим прибором и используя
316
кривые, подобные изображенным на графиках, можно осуще-
ствить непрерывную регистрацию толщины покрытия. Кривые
на графиках фиг. 249 и 250 были получены при трех различ-
ных значениях зазора «датчик — металл», а именно 0,127, 0,33
и 0,535 мм. Большинство промышленных фазометрических
приборов имеет относительную точность порядка 1° при часто-
те 20 Кгц; отдельные приборы характеризуются значительно
более высокой точностью. Если взять за основу точность по-
Фиг. 248. Токовихревой прибор для измерения степени межкристаллитной
коррозии (К=103, ww — проволочное сопротивление; во всех случаях, за
исключением особо оговоренных, величина емкостей указана в мкф, сопро-
тивлений — в ом):
1 — датчик, 2 — микровыключатель.
рядка Г, то точность измерений, результаты которых пред-
ставлены на графиках, составит 0,0064 мм. Линсей и Либби
[18] описывают прибор для измерения толщин тонких никеле-
вых покрытий на немагнитном основном металле по методу
вихревых токов. Авторы сообщают, что прибор позволяет из-
мерять толщину никелевых покрытий в диапазоне от 0,0025
до 0,05 мм с точностью 5%. Росс [19] разработал прибор для
измерения толщины алюминиевого покрытия на уране. Экспе-
рименты показывают, что диапазон толщин алюминия, измеря-
317
емых прибором, составляет от 0,38 до 0,76 мм; точность изме-
рений не менее 0,025 мм.
Толщиномер, разработанный Хэницем, применим во всех
случаях, когда отношение величины удельной электропровод-
ности к величине магнитной проницаемости для основного ме-
талла и материала покрытия отличается не менее чем в 2 раза.
В приборе используется осцил-
лятор переменной частоты, опре-
деляемой параметрами контуров
сетки и анода. В результате из-
менения электрического импе-
данса изделия, обусловленного
град
250. Фазовый угол в зависимо-
угол в зависимо-
Фиг. 249. Фазовый
сти от толщины покрытия (медь на
нержавеющей стали) при различном
зазоре между датчиком и металлом:
/ — зазор 0,525 мм, 2 — зазор 0,325 мм,
3 — зазор 0,125 м.
Фиг.
сти от толщины покрытия (никель на
уране) при различном зазоре между
датчиком и металлом:
/ — зазор 0,125 мм, 2 — зазор 0,325 мм,
3 — зазор 0,525 мм.
разницей в толщине покрытия, осциллятор отключается. Отклю-
чение происходит при частоте, определяемой толщиной покры-
тия. Регистрирующей системой может быть электронно-лучевая
трубка или показывающий прибор. Точность толщиномера
невысока и при измерении толщин пленок свинцово-оловяни-
стого и свинцово-индиевого баббита на бронзе и серебре
составляла примерно 10%.
Прибор для измерения толщины покрытий был разработан
Бреннером и Гарсиа-Ривера в Национальном Бюро Стандар-
тов [20]; аналогичная конструкция известна под торговой мар-
кой «Дермитрон». В этом приборе обнаружение колебаний им-
педанса основано на изменении характеристик параллельного
резонансного контура. Схема прибора изображена на фиг. 251.
От источника питания к разветвленному контуру подводится
переменный ток. Контур, по которому протекает ток в течение
318
каждого полупериода, определяется ориентацией германиевых
диодов. Один контур включает диод, переменное сопротивление
и регистрирующий прибор.
В течение другого полупериода ток проходит через второй
диод и резонансный контур, состоящий из измерительной ка-
Фиг. 251. Прибор для измерения толщины покрытий по методу вихревых
токов.
Чувствительные катушки
Частота в Мгц	Примерное число витков (проволока № 40)	Примерная емкость
0,1	180—200	0,016
0,5	 75—95	0,003
1	35—45	0,0008
тушки и конденсатора. Когда переменное сопротивление при-
равнивается импедансу участка цепи, содержащего измеритель-
ную катушку и конденсатор, через каждое плечо схемы в тече-
ние обоих полупериодов протекают равные токи, и микроампер-
метр постоянного тока показывает отсутствие тока в цепи. По-
добный баланс может быть достигнут только в том случае,
когда характеристики испытуемого изделия сохраняются по-
стоянными. Если электропроводность изделия изменяется, то
319
изменяются величина и характер распределения вихревых то-
ков, что вызывает изменение импеданса и возникновение сиг-
нала разбаланса на регистрирующем приборе.
В процессе испытаний используются два метода измерений.
В первом случае калибровочный потенциометр может быть
установлен в такое положение, при котором ток через микро-
амперметр не протекает; соответствующее значение /? регист-
рируется. Применение первого метода наиболее целесообразно
при экспериментах, связанных с измерением электропроводно-
сти, величина которой колеблется в широких пределах. Во вто-
ром методе ток через регистрирующий прибор может быть с
помощью потенциометра отрегулирован до некоторого значе-
ния, соответствующего эталонному изделию; после этого в про-
цессе испытаний ток регистрируется при неизменном положе-
нии потенциометра. Метод удобен в тех случаях, когда измене-
ние тока, вызванное колебаниями электропроводности,
находится в пределах рабочего диапазона регистрирующего
прибора. Максимальная чувствительность регистрирующего
прибора к колебаниям электропроводности испытуемого образца
может быть достигнута путем выбора значений частоты f, емко-
сти С и индуктивности катушки L в соответствии с уравнением
где f — резонансная частота в гц\
L — индуктивность катушки в некотором, заранее задан-
ном, положении относительно испытуемого изделия
в генри-,
С — емкость в ф.
В этих условиях, когда индуктивное сопротивление катуш-
ки 2л/А равно емкостному сопротивлению конденсатора
2^ = -*-,	(12.7)
ZTCy и
импеданс параллельного контура максимален, а ток через
эту ветвь минимален. Таким образом, при выборе рабочей ча-
стоты такого прибора следует учитывать не только требуемую
глубину проникновения вихревых токов, но также и электриче-
ские параметры испытательной катушки. Скорость затухания
резонанса при изменении одного из трех настроечных пара-
метров f, L или С также влияет на чувствительность метода.
Это обстоятельство требует соответствующего конструирования
катушки для создания «остро настроенного» контура. Калибро-
вочная кривая прибора показана на фиг. 252. При построении
этой кривой был использован первый из описанных выше ме-
тодов измерения (сбалансированный импеданс — отсутствие то-
320
ка); кривая представляет зависимость импеданса или баланс-
ного сопротивления от электропроводности.
Измерение толщины покрытий с помощью импульсных вихре-
вых токов. Применение импульсных вихревых токов для изме-
рения толщины покрытий описано в работе [21]. В соответствии
с этим методом в поверхностных слоях испытуемого изделия
Толщ if.
Фиг. 252. Калибровочные кривые для измерения толщины покрытия (ме-
талл покрытия — серебро, металл основы — нейзильбер); кривые /, 2, 3
были получены при частотах 0,1, 0,5, и 2,0 Мгц, соответственно. Показания
были сняты при помощи четырех датчиков одного типа для доказатель-
ства согласованности результатов.
наводится электромагнитное поле и затем анализируются эхо-
сигналы, т. е. электромагнитные волны, отраженные от слоев
металла.
Излучателем и приемником электромагнитных волн служит
однослойная катушка, ось которой располагается перпендику-
лярно к поверхности изделия. Эхо-сигналы вызваны несогласо-
ванностью импедансов между материалами с различными элек-
трическими свойствами; термин «отраженные волны» исполь-
зуется для простоты объяснения.
Как можно видеть на фиг. 253, первая отраженная волна
не содержит никакой информации о характеристиках покрытия
и, следовательно, должна быть сбалансирована мостовым кон-
туром. Это возможно осуществить, например, путем использо-
вания двух примерно идентичных датчиков. Выходные сигналы
обоих датчиков сбалансированы между собой, а любая возни-
кающая разность напряжений усиливается и подается на вход
осциллоскопа. Блок-схема подобного устройства показана на
11 Испытания без разрушения	321
фиг. 254. Импульс с тиратрона через трансформатор и мостовую
схему подается на эталонную и измерительную катушки. Раз*
ность напряжений с обеих катушек через усилитель поступает
на вход осциллоскопа (регистрирующего прибора). Экспери-
ментально было обнаружено, что на кривой разности потенциа-
лов существует одна или несколько точек, на положение кото-
рых не влияет величина зазора между датчиком и изделием;
из этого следует, что изменение зазора сказывается лишь на
Фиг. 253. Отражение электромагнитных
волн на смежной поверхности двух метал-
лических сред:
/ — воздух, II — металл покрытия, /// — металл
основы, 1 — входящий импульс, 2 — первая от-
раженная волна, 3 — вторая волна, 4 — третья
волна.,
наклоне кривых, в то время как расстояние точки пересечения
от горизонтальной оси остается неизменным. Для эксперимен-
тальной проверки этого факта было испытано несколько пластин
из одного материала, покрытие которых также выполнено из од-
Фиг. 254. Блок-схема
контроля с помощью
импульсных вихревых
токов:
/— стандартный датчик, 2—
тиратронный генератор им-
пульсов, 3 — мостовой кон-
тур, 4 — осциллоскоп, б —
измерительный датчик.
Показания осциллоскопа
Фиг. 255. Соотношение
между показаниями при-
бора и толщиной покрытия
(толщина покрытия указа-
на в произвольных едини-
цах).
нородного металла, но разной толщины. Соотношение между
показаниями регистрирующего прибора и толщиной покрытия,
измеренной оптическим методом, показано на фиг. 255. Одним
из недостатков описанной схемы измерения является крайняя
чувствительность к колебаниям зазора между датчиком и изде-
лием, что создает определенные трудности при непрерывном
сканировании движущегося изделия.
322
Контроль магнитных материалов по методу вихревых токов.
В предыдущих разделах этой главы рассматривались только не-
магнитные материалы. На фиг. 256 показана нормализованная
диаграмма импеданса измерительной катушки для различных
значений магнитной проницаемости, электропроводности и диа-
метра при коэффициенте заполнения 0,5. Вдоль кривой, соответ-
ствующей магнитной проницаемости 100 гс/э, нанесены зна-
чения f/fg. Тонкими линиями соединены точки, соответствующие
импедансу катушки при изменении одной лишь величины маг-
нитной проницаемости изделия; прочие характеристики системы
«измерительная катушка — изделие» вдоль этих кривых сохра-
няются постоянными. Для магнитных материалов изменение
диаметра вызывает изменение импеданса в том же направле-
Фиг. 256. Импеданс измери-
тельной катушки в зависи-
мости от величины магнит-
ной проницаемости при ко-
эффициенте заполнения 0,5
(нормализованные кривые).
нии, что и изменение магнитной
проницаемости. При малых
значениях f/fg изменение импе-
данса, обусловленное колеба-
ниями электропроводности, про-
исходит приблизительно под
прямым углом к изменению им-
педанса, вызванному изменением
магнитной проницаемости. Это
Фиг. 257. Нормализованная диаграм-
ма импеданса для труб различной
конфигурации.
дает возможность в области малых значений f/fg провести
четкое разграничение между эффектами, обусловленными элек-
тропроводностью и магнитной проницаемостью.
11* ; 323
нием в нем вихревых токов.
Фиг. 258. Датчик для контроля фер-
ритных металлов:
1 — приемные катушки. 2 — катушка воз-
буждения, 3 — катушки насыщения.
Диаграмма импеданса измерительной катушки для труб
различной конфигурации показана на фиг. 257; диаграмма со-
ставлена для отношения f/fg, равного 15. Крайняя правая кри-
вая показывает изменение импеданса в функции толщины
стенки трубы; значения толщины стенки в процентах внешнего
диаметра нанесены на кривой. Импеданс измерительной ка-
тушки для сплошного стержня представлен на диаграмме точ-
кой А; если в катушку помещена труба, имеющая такой же
внешний диаметр, как и сплошной стержень, и толщину стенки,
равную 10% внешнего диаметра, то импеданс катушки будет
определяться точкой В.
В некоторых случаях необходимо снизить эффективную
магнитную проницаемость ферритного металла перед наведе-
~ я этого в датчик прибора на-
ряду с приемными катушками
и катушкой возбуждения вво-
дятся катушки насыщения, по
которым пропускается по-
стоянный ток (фиг. 258). С по-
мощью этих катушек в изде-
лии наводится постоянное маг-
нитное поле, насыщающее уча-
сток изделия в пределах дат-
чика, в результате чего сни-
жается магнитная проницае-
мость. Число ампер-витков, не-
обходимое для насыщения, зависит от размеров стержня или
трубы, а также от магнитных свойств изделия. Для ферритных
металлов концевой эффект имеет значительно большее значение,
чем для неферритных металлов; количественные характеристики
этого эффекта определяются величиной магнитной проницаемо-
сти данного металла. Например, для стального стержня диа-
метром 12,7 мм зона концевого эффекта составляла приблизи-
тельно 250 мм. Значительный концевой эффект исключает воз-
можность использования этого метода для контроля коротких
стержней с помощью существующего в настоящее время обо-
рудования.
Обширные исследования в области контроля с помощью
вихревых токов были проведены Ганном; в частности, им был
запатентован метод и устройство для обнаружения дефектов
в металлических изделиях [22].
Другие области применения вихревых токов. Методы, осно-
ванные на возбуждении и измерении вихревых токов, находят
самое разнообразное применение в современной технике. Эти
методы могут быть использованы для бесконтактного измере-
ния электропроводности при повышенных температурах, а так-
же для определения эффектов межкристаллитной коррозии с
чувствительностью 0,1-10-6. С аналогичной чувствительностью
324
можно количественно определить обратимые и необратимые из-
менения электропроводности и диаметра изделия, вызванные
упругой и пластической деформацией.
Методы вихревых токов были применены для выявления пу-
стот или газовых карманов в контактном жидкометаллическом
подслое тепловыделяющих элементов ядерных реакторов [23].
Испытуемый тепловыделяющий элемент состоял из топливного
Фиг. 259. Обнаружение газовых пузырьков в контактном подслое тепловы-
деляющих элементов по методу вихревых токов с помощью точечного
датчика (f=20 Кгц).
0,2 мм) трубу, выполненную из нержавеющей стали; матери-
алом топливного сердечника служил урано-циркониевый сплав.
Длина тепловыделяющего элемента составляла приблизительно
430 мм при диаметре 4,5 мм. В нормальном состоянии между
урановым стержнем и стенкой трубы существовал кольцевой
зазор шириной 0,15 мм, заполненный натрием. При исследова-
нии использовались датчики с проходными и с точечными ка-
тушками.
Некоторые результаты, полученные с помощью точечного
датчика, показаны на фиг. 259. На основании приведенных
кривых можно сделать вывод, что точечный датчик позволяет
обнаружить пустоту в контактном подслое не только в том слу-
чае, когда он расположен непосредственно над дефектом, но и
тогда, когда датчик смещен относительно месторасположения
325
дефекта по окружности тепловыделяющего элемента на значи-
тельный угол, достигающий 180°. Верхняя кривая была снята
с помощью проходной катушки, нижние — с помощью точечных
датчиков диаметром 6,35 мм. Каждая кривая соответствует
повороту тепловыделяющего элемента на угол 90°, отсчитывае-
мый от его прежнего положения, начиная с некоторой произ-
вольной нулевой точки. Пустоты на этих кривых изображаются
невысокими пиками и впадинами. Пологие нарастания и спады
вызваны колебаниями ширины натриевого подслоя под датчи-
Фиг. 260. Соотношение между
электропроводностью, прочностью
на растяжение и удлинением для
медно-хромистых сплавов (по
Форстеру):
1 — электропроводность, 2 — прочность
на растяжение, 3 — удлинение.
ком из-за искривления урано-
вого стержня или его эксцент-
риситета. Этот эффект частич-
но исчезает при использовании
проходной катушки вследствие
ее симметрии.
Содержание фосфора
д % по весу
Фиг. 261. Влияние примеси фос-
фора на электропроводность меди
(по Форстеру).
В диапазоне частот порядка 25 Кгц вихревые токи, наве-
денные в трубе из нержавеющей стали, играют незначительную
роль по сравнению с вихревыми токами в натриевом подслое;
это объясняется малой толщиной оболочки и более высокой,
чем у нержавеющей стали, электропроводностью натрия. Та-
ким образом, при этих частотах датчик «видит» через оболочку.
Разрушающие испытания, которые заключались в расчехловке
элемента, показали, что существует четкое соотношение между
высотой пиков на- кривой и окружной протяженностью пустот.
Помимо вышесказанного, существует возможность исполь-
зовать измерение электропроводности для определения количе-
ственных характеристик других свойств исследуемых материа-
лов и изделий. Например, в процессе дисперсионного твердения
твердость и электропроводность материала меняются одновре-
326
менно, вследствие чего степень приобретенной твердости может
быть проверена путем измерения электропроводности. На
фиг. 260 видно, что для медно-хромистых сплавов существует
определенное соотношение между электропроводностью, проч-
ностью на разрыв и относительным удлинением. На фиг. 261
показана зависимость электропроводности меди от содержания
фосфора. В число других факторов, которые влияют на элек-
тропроводность и могут быть количественно оценены с по-
мощью методов вихревых токов, входят пористость, размер
зерен структуры, химический состав сплава, внутренние напря-
жения и глубина слоя цементации.
В работе [24] описано использование «Циклографа» для
изучения внутренних напряжений и оценки вероятности уста-
лостного разрушения материалов. В ферромагнитном мате-
риале структурные изменения тесно связаны с изменениями
магнитных свойств. Это обусловлено тем, что структура доме-
нов и ее склонность к переориентации зависит от физического
состояния металла. Как правило, в отожженном состоянии ме-
талл характеризуется подвижностью доменов, низкой магнит-
ной проницаемостью и высокими потерями в сердечнике; холод-
ная обработка или усталость металла меняют положение на
обратное. Используя «Циклограф», можно измерить относитель-
ные потери в сердечнике и исследовать изменения, связанные
с развитием усталостных явлений.
При этом возможны различные критерии, но в настоящее
время считается наиболее целесообразным использовать соот-
ношение «напряжение —потери в сердечнике». При исследова-
нии ферромагнитных материалов катушка «Циклографа» по-
мещается вокруг образца, и последний подвергается осевой
усталостной нагрузке.
Вихревые токи в целях экспериментальных исследований
и контроля пока еще используются мало; тем не менее этот
метод испытаний без разрушения имеет большое будущее. Тот
факт, что область применения этого метода в настоящее время
ограничена, может быть объяснен недостаточным пониманием
принципиальных основ метода и несовершенством применяемого
оборудования.
ГЛАВА 13
ДРУГИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ БЕЗ РАЗРУШЕНИЯ
В этой главе кратко описываются некоторые применяемые
в настоящее время методы испытаний без разрушения. В число
этих методов входят капельная проба, спектрохимический ана-
лиз, проба на искру, активационный анализ, некоторые методы
измерения остаточных напряжений и твердости.
Капельная проба. В некоторых случаях, например для сор-
тировки материалов или экономии скрапа, необходимо быстро
идентифицировать распространенные металлы или сплавы. Ча-
сто это осуществляется с помощью простейшего химического
«капельного» анализа; естественно, что подобный метод испы-
таний является чисто качественным.. Фейгель [1] перечисляет
свыше 200 капельных проб, предназначенных для опознавания
более 40 металлов. Термин «капельный анализ» или «капель-
ная проба» используется для обозначения подобных селектив-
ных испытаний, основанных на определенных химических реак-
циях. Эти испытания являются микроаналитическими или по-
лумикроаналитическими и применимы к органическим и неор-
ганическим веществам. Успех испытания зависит от природы
используемых реагентов и правильного выбора химических ре-
акций; таким образом, максимум чувствительности и селектив-
ности достигается при минимуме физических и химических опе-
раций. Существует четыре способа капельных проб: 1) каплю
исследуемого раствора и каплю реагента сливают вместе на
пористой или непористой поверхности, например на бумаге,
стекле или фарфоре; 2) каплю исследуемого раствора поме-
щают на пористую поверхность, насыщенную соответствующими
реагентами; 3) каплю раствора реагента помещают на неболь-
шое количество исследуемого твердого вещества; 4) каплю ре-
агента или полоску чувствительной бумаги подвергают воздей-
ствию газов, высвобождаемых из капли исследуемого раствора
или из небольшого количества исследуемого твердого вещества.
Электротипия. При электротипии бумагу, пропитанную спе-
циальным раствором, помещают между исследуемым изделием
и вторым электродом, образуя мокрый электролитический эле-
мент. Когда к элементу подводится напряжение (исследуемое
328
изделие играет роль анода), ионы от изделия проходят через
бумагу. Распределение и концентрацию ионов можно выявить
с помощью реагентов, с которыми ионы образуют нераствори-
мые окрашенные соединения. Джирковски [2] использовал элек-
тротипию для обнаружения железа в пирите, марказите и дру-
гих железосодержащих минералах. В работах [3]—[5] описы-
вается применение этого метода для идентификации метал-
лических и неметаллических компонентов в различных сплавах.
Хилборн и Паг [6] описывают методику испытаний, сочетающую
электротипию и колометрические капельные испытания. Эта
методика была применена для определения примесей в алюми-
нии, предназначенном для изготовления отдельных элементов
ядерного реактора. Метод дает возможность обнаружить и
идентифицировать малые количества следующих металлов: же-
леза, свинца, ртути, молибдена, никеля, олова и меди, которые
могут присутствовать в алюминии в виде включений или ком-
понентов сплава.
Сернотипия. Сернотипия используется для выявления лик-
ваций в сплавах. При сернотипии по методу Бэрманна лист
бромистой фотографической бумаги смачивается в 3—4°/о-ном
растворе серной кислоты; после удаления лишней жидкости
бумага накладывается на отполированную поверхность изде-
лия и выдерживается в течение 1—4 мин. Сероводород реаги-
рует с бромистым серебром, образуя сульфид серебра; в ре-
зультате на фотобумаге возникает рисунок коричневатого от-
тенка. Интенсивность окрашивания зависит от концентрации
сульфидов, что дает возможность определить распределение и
концентрацию сульфидов. При сернотипии по методу Хейна и
Бауэра к отполированной поверхности изделия в течение 4—
5 мин прижимается шелковая ткань, смоченная в растворе су-
лемы. Зоны, богатые серой, вызывают черное окрашивание, бо-
гатые фосфором — желтое.
Спектрохимический анализ. Спектрохимический анализ ос-
нован на том хорошо изученном явлении, что атомы и моле-
кулы при возбуждении испускают излучение определенной дли-
ны волны. В результате пропускания этого излучения через
призму или диффракционную решетку образуется спектр, ко-
торый является характеристикой атома или молекулы. Возбуж-
дение атомов или молекул вещества может быть осуществлено
с помощью электрической дуги, пламени или разрядной трубки.
Открытый Кирхгофом и Бунзеном [7], этот метод анализа со-
става материалов получил в настоящее время широкое распро-
странение и подробно описан в работах [8]—[11]. Чувствитель-
ность метода составляет несколько частей на миллион.
Проба на искру. Классифицировать стали можно путем ви-
зуального исследования искр, возникающих при соприкоснове-
нии изделия с быстро вращающимся абразивным кругом. Каж-
дая марка стали характеризуется определенным «рисунком»,
329
образованным отлетающими искрами, и их цветом. В работе [12]
содержится 28 детальных эскизов, которые могут быть исполь-
зованы для проб на искру важнейших марок сталей.
Анализ поверхности с помощью ядерного рассеяния. В не-
которых случаях для качественного анализа поверхностных
слоев твердых материалов используется явление рассеяния
ядер на исследуемой поверхности, а также характерные ядер-
ные реакции, которые происходят при бомбардировке поверх-
ности протонами и дейтронами.
По методу рассеяния можно определить такие элементы, как
кислород, алюминий, кремний, сера, кальций, железо, медь,
серебро, барий и свинец. Характерные ядерные реакции позво-
ляют обнаружить присутствие углерода, азота, кислорода, фто-
ра и натрия. При определении состава поверхностных слоев, а
также при исследовании явлений, связанных с различными ви-
дами поверхностной обработки, к точности аналитического ме-
тода предъявляются весьма высокие требования, поскольку
количество того или иного элемента на единице площади весьма
мало.
Кроме того, этот метод должен обладать высокой избира-
тельностью, так как предметом анализа служат лишь поверх-
ностные слои материала. Описанные ниже методы отвечают
этим требованиям: толщина слоев, которые могут быть иссле-
дованы, составляет несколько микрон, а чувствительность до-
стигает величин порядка 10~8—1СН г)см,2. Разрешающая спо-
собность этих методов по глубине при определении толщин
пленок или изменения концентрации элемента с глубиной со-
ставляет примерно 10-2 мк. Эти методы могут быть использо-
ваны для идентификации не только элементов, но и отдельных
изотопов. В то же время энергия взаимодействия настолько
велика, что влияние этого процесса на величину энергии хими-
ческой или кристаллической связи незначительно; поэтому
с помощью этих методов невозможно получить информацию
о химическом строении или кристаллической решетке веще-
ства.
Ядерные реакции могут быть вызваны бомбардировкой по-
верхности протонами, дейтронами или альфа-частицами высо-
ких энергий. Такая бомбардировка вызывает испускание дру-
гих частиц, возникновение радиоактивных изотопов или излу-
чение определенной энергии. Элементы поверхностных слоев
могут быть идентифицированы по энергии частиц или излуче-
ния, а в некоторых случаях по периоду полураспада образо-
ванных изотопов. Метод ядерных реакций наиболее применим
к легким элементам, поскольку требуемая энергия бомбарди-
рующих частиц в этом случае невысока (менее 2 Мэв).
Упругое рассеяние ионов высокой энергии представляет со-
бой другой способ анализа поверхностных слоев. Этот метод
можно использовать для анализа весьма малых количеств неиз-
330
вестных веществ, для выявления композиционных изменений
поверхности и для изучения природы поверхностных слоев. Этот
метод дополняет такие методы исследования, как масс-спек-
трометрия, электронография и др. Ядро, на котором происхо-
дит рассеяние, может быть идентифицировано по изменению
момента рассеянной частицы. Метод можно использовать для
обнаружения всех элементов, хотя, как правило, он требует
больших затрат времени, чем метод ядерных реакций. Деталь-
ное описание этого метода можно найти в работе Рубина, Пэс-
села и Бэйли [13]. В работах Лаубенштейна [14] и Эндта и
Клювера [15] приведены обширные данные по ядерным взаимо-
действиям для всех легких ядер. Для создания пучка протонов
0,1 мка с разбросом импульсов 0,04% требуется ускоритель;
рассеянные протоны анализируются магнитным спектрометром
высокой разрешающей способности с точечной фокусировкой,
апертура которого составляет 0,0025 стерад. Угол рассеяния
может изменяться от 0 до 150°. В ходе эксперимента обычно
меняют магнитное поле спектрометра, сохраняя все прочие па-
раметры постоянными, и подсчитывают протоны, проходящие
через выходную щель спектрометра. На основании кривой рас-
пределения импульсов рассеянных протонов можно вычислить
концентрацию элементов на поверхности исследуемого из-
делия.
Чувствительность метода ядерных реакций резко падает с
увеличением атомного номера элемента; чувствительность ме-
тода ядерного рассеяния с увеличением атомного номера
растет.
Электронный метод. В Институте Бэтелла был разработан и
создан электронный микроанализатор [16]. Этот прибор дает
возможность изолировать для анализа на поверхности исследуе-
мого изделия участок диаметром менее 0,0025 мм и может
быть использован для обнаружения всех химических элементов,
расположенных в периодической системе выше магния. Источ-
ником электронов в микроанализаторе является нагретая воль-
фрамовая спираль; электроны после ускорения в электрическом
поле, градиент потенциала которого составляет 50 кв, бомбар-
дируют поверхность изделия. В результате бомбардировки воз-
бужденные атомы исследуемого вещества испускают рентгенов-
ские лучи, которые пропускаются через кристаллический спек-
трометр. Детектирование рентгеновских лучей, прошедших
через спектрометр, осуществляется с помощью счетчика Гей-
гера.
Активационный анализ. Облучение большинства атомных
ядер тепловыми нейтронами приводит к тому, что эти ядра ста-
новятся радиоактивными. Характер бета- или гамма- излучения,
испускаемого радиоактивными ядрами, является неотъемлемым
признаком данного изотопа; данные об энергии и интенсивности
излучения могут быть использованы для определения элемента.
331
Величина радиоактивности непосредственно связана с количе-
ством данного изотопа в образце: Поскольку радиоактивность
измеряется в настоящее время крайне чувствительными мето-
дами, активационный анализ допускает точную оценку очень
малых количеств элемента.
Методы измерения напряжений и деформаций. Измерение
напряжений и деформаций — проблема, с которой часто при-
ходится сталкиваться при проведении испытаний без разру-
шения.
Наиболее простым, дешевым и распространенным прибором
для измерения деформаций и напряжений является тензомет-
рический датчик сопротивления. Принцип действия этого дат-
чика весьма прост. Датчик состоит из длинной очень тонкой
проволоки, намотанной особым образом на тонкий картон или
полоску бумаги, пропитанной бакелитом. При использовании
датчик прочно приклеивается к изделию и деформируется вме-
сте с ним; в большинстве случаев влиянием массы или жест-
кости датчика на характеристики исследуемого изделия можно
пренебречь. Через проволоку пропускается электрический ток;
деформация проволоки изменяет ее электрическое сопротивле-
ние.
В качестве измерительного прибора может быть использо-
ван потенциометр, мостик Уитстона или осциллограф.
Широко распространенным методом измерения малых изме-
нений электрического сопротивления является применение мо-
стовой схемы Уитстона в различных вариантах. Из-за малости
этих изменений необходимо исключить любой начальный раз-
баланс мостовой схемы; это обычно достигается с помощью
одной из трех схем, показанных на фиг. 262. Первая и вторая
схема крайне просты; третья схема представляет собой двойной
мост, преимуществом которого является отсутствие балансных
элементов в пределах измерительного мостового контура, в ре-
зультате чего можно компенсировать значительный начальный
разбаланс без снижения чувствительности схемы. Эта схема
особенно удобна, когда нулевой баланс достигается с помощью
калиброванной шкалы.
В процессе измерения нет необходимости использовать мо-
стовую схему, все четыре плеча которой составляют датчики;
на практике во многих случаях используется только два дат-
чика; один — в качестве тензометрического прибора, а другой—
для обеспечения температурной компенсации. Другие два плеча
моста составляют два постоянных сопротивления. Питание тен-
зометрического моста может осуществляться постоянным или
переменным током.
Система на постоянном токе характеризуется простотой и
большой емкостью источника питания, а также простотой при-
борного оборудования, когда требуется лишь визуальная ин-
дикация статических деформаций. Кроме того, емкость кабеля
332
не влияет на показания тензодатчика. К недостаткам этой си-
стемы относится необходимость применения усилителя постоян-
ного тока или вибропреобразователя, если требуется усилить
статический сигнал, чувствительность системы к фоновым иска-
жениям, а также то, что при длительных испытаниях возникаю-
щая термо- э. д. с. может быть сравнима с измеряемым сиг-
налом. Однако, если измерение деформаций связано с образо-
ванием чисто динамических сигналов частотой свыше 10 гц,
то схема усиления сигналов значительно упрощается.
Ю
Фиг. 262. Мостовые схемы, используемые при тензометрических изме-
рениях:
а — схема с шунтовой балансировкой, б — схема с балансировкой на дополни-
тельном сопротивлении, в — схема с двойным балансным мостом, 1 — напряже-
ние, приложенное к мостовому контуру, 2 — тензодатчик, 3 — балансное сопро-
тивление, 4 — балансная емкость, 5 — выходной сигнал, б — тонкая балансировка,
7 — грубая балансировка, 8 — выводы к дифференциальному усилителю.
В некоторых случаях большой интерес представляет изуче-
ние остаточных напряжений в материале. Один из способов
выявления остаточных напряжений основан на диффракции
рентгеновских лучей. Когда монохроматические рентгеновские
лучи падают на атомы кристаллической решетки металла, про-
исходит отражение электромагнитных волн электронами ме-
талла, что вызывает возникновение диффракционной картины.
Условие положительной интерференции отраженных волн опре-
деляется законом Брэгга:
Ж = 2d sin 6,
где N — порядок интерференции (целое число);
%— длина волны рентгеновского излучения;
d — расстояние между атомными плоскостями;
0 — угол падения и отражения.
333
Величина деформации определяется измерением изменения
межатомного расстояния между плоскостями атомов. Теория и
практическое применение диффракции рентгеновских лучей для
измерения остаточных напряжений довольно сложны; деталь-
ное изложение этих вопросов можно найти в работах [17]—[19].
Нортон [20], [21] и Кинельски [22] использовали диффракцион-
ный метод для измерения остаточных напряжений при
сварке.
Для измерения напряжений, возникающих при эксплуатации
той или иной детали, используется специальное хрупкое лако-
вое покрытие («Stresscoat») и прозрачный пластик, обладаю-
щий определенными оптическими свойствами («Photostress»).
Лак «Stresscoat» набрызгивают на испытуемое изделие и вы-
сушивают на воздухе в течение 4—6 ч\ одновременно этим же
лаком покрывают простую консольную балку, которую исполь-
зуют во время испытаний для калибровки покрытия и количе-
ственной оценки деформаций. После высыхания лака изделие
нагружают и исследуют трещины, возникающие на лаковом
покрытии. По рисунку, образованному трещинами, можно су-
дить о зонах максимальных напряжений, а также об относи-
тельной концентрации напряжений и направлении их дей-
ствия.	?
Некоторые прозрачные материалы, такие как кристаллы
кальцита и слюда, обладают свойством двойного преломления.
При прохождении через эти вещества луч света расщепляется
на два пучка, имеющие различные скорости распространения
и, следовательно, различные коэффициенты преломления. Два
пучка света, прошедшие через такой материал, поляризуются
во взаимно перпендикулярных плоскостях. При исследовании
напряжений по фотоэлектрическому методу для выявления де-
формаций прозрачных материалов, таких как стекло, целлулоид
и бакелит, используется поляризованный свет. Эти материалы
в обычном состоянии не являются двоякопреломляющими и
приобретают это свойство только в состоянии деформации. Для
испытания изготовляют прозрачную модель изделия из стекла,
целлулоида или бакелита. Затем через модель пропускают по-
ляризованный свет. Если модель ненагружена, то при рассмот-
рении ее через скрещенные линзы Николя или поляроид поле
зрения останется темным. Если к модели приложено напряже-
ние, то испускаемый свет, как правило, эллиптически поляри-
зуется и пропускается анализатором лишь частично. Распре-
деление напряжений проявляется в виде расположенных опре-
деленным образом цветных полос.
Для исследования напряжений по методу «Photostress» [23]
изделие покрывают тонким слоем прозрачного пластика, кото-
рый в напряженном состоянии становится двоякопреломляю-
щим, причем величина двойного преломления прямо пропорцио-
нальна интенсивности напряжений. Количественные характери-
334
стики двойного преломления можно измерять в поляризованном
свете.
При освещении поляризованным светом деформации про-
являются на пластинке в виде темных и окрашенных бахром-
чатых полос. Если поверхность изделия или поверхность нане-
сенного на изделие пластика является отражающей, то эта
картина может наблюдаться с помощью рефлекторного поля-
рископа. Используя полярископ, можно визуально проследить
направление основных деформаций; поляризационная картина
может быть также зафиксирована на фотопленке.
ГЛАВА 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Программа проведения неразрушающих испытаний какого-
либо изделия может быть разумно составлена лишь в том слу-
чае, если в полной мере учитываются преимущества, недостатки
и ограничения, свойственные тому или иному методу испыта-
ний. Это требование является основным при выборе метода
испытаний. Помимо этого, программа испытаний должна учи-
тывать соответствие результатов, получаемых при помощи выб-
ранного метода, требованиям, предъявляемым к испытуемому
изделию. Наконец, испытания без разрушения должны прово-
диться лишь в том случае, если они действительно необходимы,
и затраты на них оправданы снижением стоимости, повыше-
нием качества или увеличением выпуска данного изделия. Пра-
вильно составленная, логически разработанная программа ис-
пытаний, как правило, будет соответствовать указанным важ-
нейшим требованиям.
Не менее тщательно следует подходить к вопросу о том, на
какой стадии технологического процесса изготовления изделия
должны быть проведены соответствующие испытания. Цель
большинства испытаний заключается в выявлении дефектов,
причины возникновения которых известны. Испытания без раз-
рушений следует проводить на той стадии технологического
процесса, когда возможно либо исключить дефекты сразу же
после их появления, либо проконтролировать производственный
процесс так, чтобы предупредить их возникновение. Это озна-
чает, что некоторые причины дефектов могут определяться ка-
чеством сырьевого материала, некоторые — условиями первич-
ной обработки, другие — неправильной последовательностью
операций, но в любом случае вредный дефект должен быть
ликвидирован как можно раньше. Очевидно, что при невыпол-
нении этого условия любые дальнейшие затраты времени и
труда на обработку дефектных материалов не будут оправ-
даны.
Как следует из самой сущности методов испытаний без раз-
рушения, в качестве неотъемлемой стадии испытаний они вклю-
336
чают расшифровку полученных различных по форме изобра-
жений дефектов. Именно этот этап испытаний составляет
огромное поле деятельности для специалистов. Необходимо раз-
работать твердо обоснованные стандарты, в соответствии с ко-
торыми можно было бы оценивать выявленные дефекты и под-
разделять их на вредные и допустимые; отсутствие подобных
стандартов и норм вызывает бесконечные и часто ненужные
испытания. Кроме того, в тех случаях, когда такие стандарты
существуют, следует уделить больше внимания установлению
уровня требований к качеству изделия, соответствующему его
назначению. Это в наибольшей степени относится к сравни-
тельно новым областям техники, таким как атомная энерге-
тика.
Высказанные общие соображения относительно выбора и
применения того или иного метода испытаний без разрушения
имеют немалое значение, однако они касаются лишь тех ме-
тодов испытаний, о которых вообще может идти речь в дан-
ном конкретном случае. Каждый новый случай применения не-
разрушающих испытаний представляет собой новую проблему
и характеризуется такими особенностями, которые делают его
уникальным и отличным от предыдущих. Поэтому следует
взвесить все преимущества и недостатки, также как и возмож-
ности каждого вида испытаний, прежде чем выбрать соответ-
ствующую методику. Например, в одном из методов контроля
герметичности сосудов используются газы-галогены в сочета-
нии с масс-спектрометром. Это превосходный метод, но его
никогда не следует использовать для контроля систем, содер-
жащих трубопроводы из нержавеющей стали, так как хлорида,
оставшегося после испытаний, достаточно, чтобы при опреде-
ленных условиях вызвать ускоренную коррозию этих трубо-
проводов.
Любой физический метод измерения какой-либо величины
может рассматриваться как потенциальный "метод испытаний
без разрушения, поскольку результат такого измерения может
быть связан с определенным свойством, представляющим ин-
терес в отношении качественной оценки изделия. Разработка
новых более совершенных методов испытаний без разрушения
требует: 1) усовершенствования техники проведения физиче-
ских измерений; 2) поисков новых методов измерения и 3) уста-
новления количественной зависимости между измеряемыми фи-
зическими свойствами и характеристиками испытуемых мате-
риалов.
Ниже сделана попытка перечислить те многочисленные усло-
вия и факторы, которые должны учитываться при выборе опти-
мального метода решения конкретной задачи испытания или
контроля.
1.	Причина, вызывающая необходимость проведения нераз-
рушающих испытаний.
337
2.	Материал, который должен быть испытан:
магнитные свойства;
удельный вес;
вид покрытия;
химический состав;
условия эксплуатации.
3.	Методы изготовления:
литье;
механическая обработка;
порошковая металлургия;
сварка;
способ покрытия;
металлургическая обработка;
физическая обработка;
химическая обработка.
4.	Геометрия:
форма;
толщина;
состояние поверхности;
габариты.
5.	Возможные или ожидаемые дефекты:
поверхностные или подповерхностные;
виды дефектов;
расположение;
размер;
степень вредности;
колебания физических, химических и металлургических
свойств.
6.	Как, когда и где возникли дефекты:
в процессе обработки сырьевого материала;
в процессе изготовления изделия;
в процессе эксплуатации;
на какой стадии технологического процесса должны быть
произведены испытания без разрушения;
могут ли быть испытаны отдельные компоненты или лишь
изделие в целом;
выбор опытных образцов, показательных для данного
процесса изготовления.
7.	Требуемая чувствительность или разрешающая способ-
ность метода испытаний:
могут ли быть изготовлены «искусственные» стандартные
дефекты;
являются ли существующие стандарты обоснованными;
возможность контрольных разрушающих испытаний.
8.	Какая дополнительная информация относительно мате-
риала и процесса изготовления может быть получена у метал-
лургов, конструкторов и технологов.
Автор настоящей книги ставил своей задачей изложить ос-
338
новные принципы различных методов испытаний без разруше-
ния; обрисовать сферу практического применения и на ряде
конкретных примеров показать специфику использования каж-
дого из этих методов; познакомить читателя с принципами дей-
ствия и устройством ряда применяемых приборов; показать,
какого рода результатов следует ожидать при применении того
или иного метода испытаний.
В практической деятельности инженеру, занимающемуся
испытанием материалов и изделий без разрушения, рекомен-
дуется руководствоваться следующими соображениями:
1.	Как правило, результаты испытаний без разрушения яв-
ляются косвенными — почти все методы испытаний связаны с
оценкой свойств материала, не влияющих непосредственно на
работоспособность изделия.
2.	Каждая проблема испытаний характеризуется специфи-
ческими особенностями.
3.	Испытания без разрушений в большинстве случаев дают
только качественную оценку и требуют контрольного проведе-
ния разрушающих испытаний.
4.	Правильность расшифровки результатов испытаний без
разрушения зависит от опытности оператора.
5.	Правильный выбор метода для решения конкретной про-
блемы контроля требует тщательного учета всех факторов,
влияющих на проведение испытаний.
6.	Универсального метода неразрушающих испытаний не су-
ществует; каждая новая проблема требует новых методов или
нового оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
К главе 2
1.	Peterson, F. A., R. A. Jones, and A. W. Allen: A New Method
for Studying Fractures of Porcelain Enameles Specimens, J. Am. Ceram. Soc.,
vol. 31, pp. 186—193, July, 1948.
2.	A New Method for Surface Flaw Detection, Ind. & Welding, vol. 25,
pp. 79—80, April, 1952.
3.	Hunter, M. S., and W m. G. Fricke, Jr.: Metallographic Aspects of
Fatigue Behavior in Aluminum, Proc. ASTM, vol. 54, 1954.
4.	C r a i g, W. J.: An Electron Microscope Study of the Development of
Fatigue Failures, Proc. ASTM, vol. 52, pp. 877—889, 1952.
5.	Cocks, G. C., and С. M. Swartz: A Panoramic Camera for Inspec-
ting Wall of Deep Narrow Slots, ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
6.	James, Thomas Howard: «Fundamentals of Photographic Theo-
ry», John Wiley & Sons, Inc., New York, 1948.
7.	Mees, С. E. K.: «Theory of the Photographic Process», The Macmilan
Copmany, New York, 1948.
8.	D о u c h e r, P a u 1 E.: «Fundamentals of Photography», D. Van Nost-
rand Company, Inc., Princeton, N. J., 1947.
9.	Kehl, George L.: Interference and Profile Microscopy, to be publi-
ched by Anerican Society for Metals, Cleveland, Ohio.
10.	American Standards Association, Surface Roughness, Waviness, and
Lay, ASA, Bull, 46.1, 1955.
11.	Tolansky, S.: «Multiple-Beam Interferometry of Surface Films»,
Oxford University Press, London, 1948.
12.	Burn, Jay R.: Susceptibility of Four Magnesium Coating Alloys to
Microporosity and Its Effect on the Mechanical Properties, AIME Inst. Metals
Div. Tech. Pub. 1955, 1946.
13.	Sampson, E. S.: Width Gage for Hot Strip Rolling Mills, Natl. Elect-
ronics Conf., vol. 5, p. 341, t949.
14.	Bujes, J. J.: Testing of Ordnance Products by Electromagnetic Ra-
diation, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 14, no. 5, pp. 28—31, September-Oc-
tober, 1956.
15.	The Institute of Physics: Physics of Nondestructive Testing, Brit. J.
Appl. Physics, Suppl. 6, 1957.
К главе 3
1.	Biram, J. G. S.: Bubble Leak Detection, Atomic Energy Research
Establ. (G. Brit.), March, 1957.
2.	Moore, H. F., and F. С. H о w a r d: A Metallographic Study of the
Path Fatigue Failure in Copper, Univ. Ill. Eng. Expt. Sta. Bull. 176, Mar. 15,
1927.	,
3.	Ki ver, G. B.: Early Detection of Fatigue Cracks, Metal Prog., vol. 45,
no. 1, p. 89, January, 1944.
340
4.	Р 1 о 11, Robert F.: Leakage Testing Apparatus. U. S. Patent 2751,780
June 26, 1956.
5.	McG on n a gl e, W. J., Stuart McLain, and E. C. Wood: Applications of
Nondestructive Testing to Fuel Elements for Nuclear Reactors, J. Soc. Nonde-
sructive Testing, vol. 15, no. 2, pp. 86—90, March—April 1957.
6.	Reed, Clifton W.: Atomic Energy in Quality Control of Hermetical-
ly Sealed Parts, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 15, no. 5, pp. 266—268,
September—October, 1957.
7.	Bell Labs Test Leaks with Cs134, Nucleonics, vol. 14, no. 7 p 82,
July, 1956.
8.	Putman, J. L., and S. Jefferson: Application of Radioisotopes to
Leakage and Hydraulic Problems, Proc. Intern. Conf. Peaceful Uses Atomic
Energy, Geneva, 1955.
9.	Leak-Testing, Nucleonics, vol. 13, no. 4, p. 21, April, 1955.
10.	V e г к a m p, J. P., and S. L. W i 11 i a m s: Testing Nuclear Plant Leak
Tightness, Nucleonics, vol. 14, no. 6, pp. 54—57, June, 1956.
11.	General Electric Company: Leak Detector Type H—1, Bull. GEC—233E,
1954.	.
12.	Pappin, W. H.: Helium Leak Detection Techniques, ASTM, Spec. Tech.
Pub. 223, 1958.
13.	M i n t e г, С 1 a г к e C.: Thermal Conductivity Leak Detector, Rev. Sci.
Instr., vol. 29, no. 9, pp. 793—974, September, 1958.
К главе 4
1.	О u w e г к e г к, L. V., and D. J. В i n к h a r s t: Verglerch der Kalmilch-
prufung mit dem Magnetpulverfahren zum Nachweiss von Hoarrissen, Warme,
vol. 64, pp. 357—359, 1941.
2.	D о 1 a n, T. J.: Basic Concepts of Damage in Metals, Fatigue, a series
of lectures presented to the American Society for Metals during 35-th National
Metal Congress, Cleveland, Ohio, 1953.
3.	Wenk, S. A., K. D. Cooley, and R. M. Kimmel: Photoelectric
Scanning of Fluorescent Indications, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 11,
no. 1, pp. 28—31, Summer, 1952.
4.	Mehl, R. F.: Nondestructive Testing with Gamma Rays, Iron Age,
vol. 127, p. 1651, 1931.
5.	К a i s e r, H. F.: Possible Use of Radioactive Substances in the Testings
of Metals, Trans. ASM, vol. 27, pp. 403—427, 1939
6.	К a i n d 1, K., and A. Mathiaschitz: Nondestructive Crack Detec-
tion Method Using Radioactive Indicators, Werkstoffe u. Korrosion, vol. 2,
pp. 368—369, October, 1951.
7.	Makin, S. M.: Porosity Detection in Magnesium Alloys Using Paraf-
fin Containing Pd109, Intern. J. Appl. Radiation and Isotopes, vol. 4, pp. 253—
255. 1959.
8.	Betz, С. E.: Two New Testing Methods for Ceramic Products, J. Soc.
Nondestructive Testing, vol. 7, no. 2, pp. 22—26, Fall, L948.
9.	Staats, Henry N.: The Testing of Ceramics, J. Soc. Nondestructive
Testing, vol. 10, no. 3, pp. 23—26, Winter, 1951—1952.
10.	S t a a t s, Henry N.: Filtered Particle Inspection of High Tension In-
sulators, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 11, no. 3, pp. 21—24, January, 1953.
К главе 5
1.	Brown, GeorgeH., Cyril N., H о у 1 e r, and Rudolph A.
Bierwirth: «Theory and Application of Radio-Frequency Heating», D. Van
Nostrand Company, Inc., Princeton, N. J., 1947.
2.	Urbach, F.: Thermography, Phot. J., vol. 90B, pp. 109—114, 1950.
3.	McGonnagle, W. J., J. H. Mon a week, and W. G. Marburger
Methods of Bond Testing, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 13, no. 2, pp. 17—
22, March—April, 1955.
341
К главе 6
1.	White, Gladys R.: X-Ray Attenuation Coefficients from 10 Kev to
100 Mev, Natl. Bur. Standards Rept. 1003, May 13, 1952.
2.	Victoreen, John A.: The Calculation of X-Ray Mass Absorption
Coefficients, J. Appl. Phys , vol. 20, pp. 1141 —1147, December, 1949.
3.	P a c e, A. L.: Lead Screens Mean Better Films with Less Exposure, Gen.
Elec. Radiation Digest, vol. 1, no. 4, p. 4, 1954.
4.	See man, H. E.: Some Physical and Radiographic Properties of Me-
tallic Intensifying Screens, J. Appl. Phys., vol. 8, no. 12, pp. 836—845, December,
1937.
5.	Frerichs, Rudolf, and John E. Jacobs: An Economical Indu-
strial X-Ray Detector, Gen. Elec. Rev., vol. 54, no. 8, pp. 42—45, August, 1951.
6.	Growther, J. A.: «Handbook of Industrial Radiology», Edward Ar-
nold & Co., London, 1949.
7.	Turner, Ralph E.: The Use of Multiple-Film Technics to Speed In-
dustrial Radiographic Inspection, J. Soc., Nondestructive' Testing, vol. 15, no. 3,
pp. 146—150, May-June, 1957.
8.	Ko Im, Eric A.: Radiography in Production Control and Inspection of
Subminiature Tubes, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 14, no. 5, pp. 20—23,
November-December, 1956.
9.	M о о r a d i a n, A. J.: NRU—Some of Its Special Testing Problems, J.
Soc. Nondestructive Testing, vol. 16, no. 2, pp. 164—170, March-April, 1958.
10.	Fadikov, I. G., and A. A. Samokhvalov: Ionization Methods
for Detecting Defects in Thick Sections of Metal by y-Rays, Conf. Acad. Sci,
U.S.S.R. Peaceful Uses of Atomic Energy, Moscow, July, 1955,
11.	Kahn, N. A., Solomon Goldspiel, and R. R. Waltien: Appli-
cation of Radiography in the Manufacture of Bronze Castings, American Foundry-
men’s Society.
12.	Barkow, A. G.: How to Interpret Radiographs of Pipe-Line Welding
Defects, Oil Gas J., Oct. 4, 1951.
13.	M a s i, Oscar: Weld Radiography: A Tentative Method for the Quan-
titative Evaluation of Defects, ASTM, Spec. Tech. Pub, 145, 1952.
14.	Carr, L. R.: The Quantitative Interpretation of Radiographs in Terms
of Mechanical Properties, J, Sci. Instr., vol. 23, no. 10, pp. 221—227, October,
1946.	1 '
15.	Wallmann, K: Relationship between Radiograph and Properties De-
termined on Welded Joints, Arch. Eisenhiittenw., vol. 8, no. 6, pp. 243—247, De-
cember, 1934.
16.	Feinberg, Irving J.: Tensile Properties of Porosity-Graded 195
Alloy, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 15, no. 3, pp. 168—173, May-June,
1957.
17.	Oaks, A, E.: Radiographic Inspection of Nuclear Core Materials and
Components, ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
18.	Levy, L., and D. W. West: Modern Applications of Luminescent
Substances, J. Soc. Chem. Ind., vol. 58, pp. 457—462, 1939, 10, no. 2, pp. 10—21,
Fall, 1951.
19.	O’Connor, D. T., and D. Polansky: Theoretical and Practical
Sensitivity Limits in Fluoroscopy, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 10, no. 2,
equations 31 and 32, Fall, 1951.
20.	С о 11 m a n, J. W.: Fluoroscopic Image Brightening by Electronic
Means, Radiology, vol. 51, pp. 359—367, 1948.
21.	Polansky, D., and E. L. Criscuolo: Characteristics of a Clo-
sed-Link Television X-Ray Inspection System, J. Soc. Nondestructive vol. 14,
no. 3, pp. 18—21, May—June, 1956.
22.	Berger, Harold, and A. L. Pace: Field Performance of a Tele-
vision X-Ray System, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 15, no. 1, pp. 26—29,
January—February, 1957.
342
23.	O’C о n nor, D. T„ and D. Polansky: A High Sensitivity Fluo-
roscope for the Inspection of Light Alloy Castings, NAVORD Rept. 3791 Sep-
tember, 1954.
24.	Polansky, D., and D. T. O’Connor: The Feasibility of Fluoro-
graphy above 150 kv, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 12, no. 6, pp. 27—34,
November — December, 1954.
25.	Taylor, Grover M, and G. H. Tenney.: Field Evaluation of
Industrial Xeroradiography, J. Soc. Nondestructive Testing, vo£ 13, no. 6,
pp. 12—17, November — December, 1955.
26.	К e r s t, D. W,: The Acceleration of Electrons by Magnetic Induction,
Phys. Rev., vol. 60, pp. 47—53, July 1, 1941.
27.	S m i t h, Clark J.: Report on the Investigation of Betatron Radio-
graphic Techniques, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 11, no. 7, pp. 17—22,
Septenber, 1953.
28.	Berman, Arthur I.: Electron Radiography, U.S. Atomic Energy
Comm. Rept. AECU—1853, Dec. 5, 1950.
29.	Kallmann, H.: Neutron Radiographv, Research 1, pp. 254—260,
1947.
30.	T h e w 1 i s, J.: Neutron Radiography, Brit. J. Apl. Phys., vol. 7, pp. 345—
350, October, 1956.
31.	Peter, O.: Neutron Durchleuchtung, Z, Naturforsch., pp. 557—559,
1946.
32.	К e r e i a к e s, J. G., and A. T. Krebs: Technical Radiography
with Beta Emitting Isotopes, U.S. Army Med. Research Lab. Rept. 180, Mer. 2i,
1955.
К главе 7
1.	Mehl, R. F.: Nondestructive Testing by Gamma Rays, J. Am. Soc.
Naval Engrs., vol. 43, pp. 371—395, 1931.
2.	Tenney, G. H., J. W. D u 11 i, and J. E. Withrow: Radium,
Tantalum 182 and Cobalt 60 in Industrial Radiography, J. Soc. Nondestructive
Testing, vol. 8, no. 3, Winter, 1949—1950.
3.	Garrett C., A. Morrison, and G. Rice: Fluoroscopy and Radio-
graphy with Iridium 192, ASTM, Spec. Pub. 145, pp. 9—20, 1952.
4.	Dutli, James W., and Grover M. Taylor: Application of
Cesium 137 to Industrial Radiography, J. Soc. Nondestructive Testing, no. 2,
pp. 35—38, March-April, 1954.
5.	Dutli, James W., and Dana E. Elliott: An Evaluation of the
Application of Thulium — 170 to Industrial Radiography, J. Soc. Nondestructi-
ve Testing, vol. 15, no. 2, pp. 112—114, March-April, 1957.
6.	S i d h u, S. S., F. P. Compos, and D. D. Z a uber is: Radio-
graphy with Thulium Sources, ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
К главе 8
1.	American Society for Welding: «Welding Handbook», 3d ed., American
Welding Society, New York, 1950.
2.	S t о n e 1 y, R.: Elastic Waves at the Surface of Separation of Two So-
lids, Proc. Roy. Soc. (London), A 106, p. 416, 1924.
3.	Ernst, P. J.: Ultrasonic Lenses and Transmission Plates, J. Sci. In-
str., vol. 22, pp. 238—243, 1945.
4.	Knott, C. G. Reflexion and Refraction of Elastic Waves with Seis-
mological Applications, Phil. Mag. S. 5, vol. 48, no. 29, July, 1899.
5.	F i r e s t о n e, F. A.: Tricks with the Supersonic Reflectoscope, J.
Soc. Nondestructive Testing, vol. 7, no. 2, Fall, 1948.
6.	W о r 11 о n, D. L.: Nondestructive Grain Size Measurements with Ultra-
sonics, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 13, no. 6, pp. 24—26, November—De-
cember, 1955.
343
7.	Grossman, Nicholas: New Methods Determine Grain Size Ultra-
sonically, Iron Age, Dec. 31, 1953.
8.	Mason, W. P.: «Piezoelectric Crystals and Their Applications to Ultra-
sonics», D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N. J., 1950.
9.	Koi sky, H.: «Stress Waves in Solids», Oxford University Press, New
York, 1953.
10.	Bergmann, L.: «Der Ultraschall», 5th ed., p. 405, S Hirzel Verlag,
Leipzig, 1949Л
11.	Cook, E. G., and H. E. Van Valkenburg.: Surface Waves at
Ultrasonic Frequencies, ASTM Bull. 198, pp. 81—84, May, 1954.
12.	Firestone, F. A.: Patent 2,536,128, Method and Means for Genera-
ting and Utilizing Vibrational Waves in Plates, Jan. 2, 1951.
13.	Lamb, Horace: On Waves in an Elastic Plate, Proc. Roy. Soc.
(London), ser. A, vol. 93, p. 114, 1917.
14.	Erdman, D. C.: Ultrasonic Flaw Detector, U. S. Patent 2,593,865,
Apr. 22, 1952.
15.	Pohlman, R.: Internal Examination of Materials by Ultrasonic-Opti-
cal Pictures, Z. angew. Phys., vol. 4, pp. 181—187, 1948.
16.	Rust, H., R. Haul and H. J. Studt: Employment of Chemical Reac-
tions to Obtain Pictures of Acoustic Phenomena, Naturwissenschaften, vol. 36,
pp. 374—375, 1949.
17.	Ernst, P. J., and C. W. Hoffman: New Methods of Ultrasonoscopy
and Ultrasonography, J. Acoust., Soc. Am., vol. 24, pp. 207—211, 1952.
18.	Rust, H. H.: Ultrasonic Image Conversion by Means of a Thermally
Induced Colour Change, Angew. Chem., vol. 64, pp. 308—311, 1952.
19.	Schuster, K.: Ultrasonic Image Converter, Unclassified Intelligence
Report, Germany/GDR Serial 507—55, 1955.
20.	M a r i n e s c o, N., and M. Rezzini: Impression of Photographic
Plates by Ultrasonics, Compt, rend., vol. 200, pp. 548—550, 1935.
21.	Bennett, G. S.: New Method for Visualization and Measurement of
Ultrasonic Fields, J. Acoust, Soc. Am., vol. 24, pp. 470—474, 1952.
22.	S c h r e i b e r, H., and W. Degner: A New Technique for Producing
Acoustic Optical Pictures, Ann. Phys., vol. 7, pp. 275—278, 1950.
23.	Sokolov, S.: Means for Indicating Flaws in Materials, U. S. Patent
2, 164, 125, June 27, 1939.
24.	Sokolov, S. Ya.: Nltrasonics and Its Applications, Priroda, vol. 43,
no. 3, pp. 21—34, 1954. Brutcher Translation 3532.
25.	Dimmick, : Sound-to-Image Transducing System, U. S. Patent 2,453
052, Nov. 9, 1948.
26.	Firestone, F. A.: Flaw Detecting Device and Measuring Instrument,
U. S. Patent 2,280, 226, Apr. 21, 1942.
27.	Moskowitz, Sidney, and Joseph Racker: «Pulse Techniques»,
Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1951.
28.	Erwin, W. S.: Ultrasonic Transmission Testing, U. S. Patent 2,655,
035, Oct. 12, 1953.
29.	Schubring, N. W.: Ultrasonic Transmission Tester Speeds, Simpli-
fies Production Inspection, Iron Age, vol. 176, pp. 87—90, Aug. 4, 1955.
30.	К г a u t к r a m e r, J. FL, and O. Rudiger: An Ultrasonic Apparatus
for Nondestructive Testing of Materials, Arch., Eisenhiittenw, vol. 20, no. 11—12,
pp. 355—358, 1949. Brutcher Translation 2879.
31.	Greenberg, H.: Ultrasonic Inspection Checks Quality of Brazed
Joints, Materials & Methods, p. 102, June, 1952.
32.	Evans, D. J.: Corrosion Evaluation of Ship Bulkhead and Plating
by Audigage Thickness Measurements, Natl'. Assoc., Corrosion Engrs. vol. 11,
p. 23, 1955.
33.	McGonnagle W. J. and W. N. Beck: An Ultrasonic Scanning
and Recording System, Proc. ASTM, vol. 56, 1956.
34.	M c G о n n a g 1 e W. J.: Nondestructive Testing of Reactor Fuel Ele-
ments, Nuclear Sci. and Eng., vol. 2, pp. 602—616, 1957.
344
35.	Ross, J. D., and R. W. Leep: Ultrasonic Transmission Tester, J. Soc.
Nondestructive Testing, vol. 15, no. 3, pp. 152—154, May—June, 1957.
36.	Shaper, H. B.: Hypersonic Nondestructive Material Testing, Instru-
ments, vol. 19, no. 6, pp. 327—330, July, 1946.
37.	Hartley, J. C., and E. K. Mull: Ultrasonic Testing of Tool Steels,
Iron Age, May 19, 1949.
38.	Hafemeister, R. N.: The Ultrasonic testing of Forging Ingots,
ASTM Bull. 197, p. 52, April, 1954.
39.	War d, F. W., and J. 0. Borg: Ultrasonic Inspection of Arc-Cast Zir-
conium and Its Alloys, U. S. Bur Mines Rept. 5126, March, 1955.
40.	Hal 1, E. D.: Ultrasonic Testing in Railroad Work, Symposium on Ultra-
sonic Testing, ASTM, Spec. Tech. Pub. 101, June 28, 1949.
41.	Hall, E. D.: Eliminating Axle Breakage, Ry. Meeh. Eng., December,
1947.
42.	D e s c h, С. H., D. 0. Sproul e, and W, J. Dawson: The Detection
of Cracks in Steel by Means of Supersonic Waves, Paper No. 17/1946 of the
Alloy Steels Research Committee, February, 1946.
43.	Moriarty, C. D.: Ultrasonic Flaw Detection in Pipes by Means of
Shear Waves, ASME Trans., vol. 73(3), pp. 225—235, April, 1951.
44.	P a r d u s, A. J.: Ultrasonic Testing Used for Small Diameter Testing,
Iron Age, Jan 29, 1953.
45.	F 1 e i s c h m a n n, W. L.. and H. A. F. Rocha: Testing of Small-
Diameter Tubing with Automatic Recording Ultrasonic Equipment, ASME Paper
55—S—23, 1955.
46.	Smack, J. C.: Immersed Ultrasonic Inspection with Automatic Scan-
ning and Recording or Warning Signal, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 12,
pp. 29—33, May—June, 1954
47.	W i 1 к i n s о n, Walter D., and William F. Murphy: «Nuclear
Reactor Technology», chap. 20, D. Van Nostrand Company, Inc., Princeton, N. J.,
1958.
48.	Kr a ch ter, H., and J. H. Krautkramer: Schweissen und Schnei-
den, vol. 5, no. 8, pp. 305—314, 1953. Brutcher Translation 3302.
49.	M c G о n n a g 1 e, W. J.: Ultrasonic Shear Wave Testing, Metal Prog.,
October, 1956.
50.	Pollock, W. A.: Backing Ring Elimination Permits Ultrasonic Te-
sting and Avoids Cracking at Piping Welds, Welding J., vol. 34, pp. 954—960,
October, 1955.
51.	Oliver, R. B., R. W. McClung, and J. K. Whit e: Immersed Ultra-
sonic Inspection of Pipe and Tubing, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 15,
no. 3, pp. 141 — 144, 1957.
52.	В r a d f i e 1 d, G.: Improvements in Ultrasonic Flaw Detection, J. Brit.
Inst. Radio Engrs., vol. 14, no. 7, pp. 303—308, July, 1954.
К главе 9
1.	Morse, Philip M.: «Vibration and Sound», 2d ed., McGraw-Hill
Book Company, Inc., New York, 1948.
2.	Pickett, Gerald: Equation for Computing Elastic Constants from
Flexural and Torsional Resonant Frequencies of Vibration of Prisms and Cylin-
ders, Proc. ASTM, vol. 45, p. 846, 1945.
3.	Quimby, S. L.: Nev/ Experimental Methods In Ferromagnetism, Phys.
Rev., vol. 39, pp. 345—353, 1932.
4.	Zener, C., and R. H. Randall: Trans. AIME, vol. 137, p. 41, 1940.
5	S c h n e i d e r, W C., and C. J. Burton: Determination of the Elastic
Constants by Ultrasonic Methods, J. Appl. Phys., vol. 20, p.p 48—58, 1949.
6.	Reynolds, M. B.: The Determination of the Elastic Constants of Me-
tals by the Ultrasonic Pulse Technique, Trans. Am. Soc. Metals, vol. 45,
pp. 839—861. 1953.
345
7.	Bez-Bordili, W.: Uber ein Ultraschall-Totalreflektrometer Zur
Messung von Schallgeschwindigkeiten Sowie der Elastic Konstantes Fester Kor-
pes, Z. Physik, vol. 96, pp. 761—768, 1935.
8.	Sanders, F. H.: Transmission of Sound through Thin Plates, Can. J.
Research, vol. 17A, no. 9, pp. 179—193, September, 1939.
9.	Zener, C.: «Elasticty and Anelasticity of Metals», University of Chica-
go Press, Chicago, 1948.
10.	Landau, L., and C. Rummer: Schallabsorption en sesten Uber Ku-
lorperm, Physik. Z. Sowjetunion, vol. 11, pp. 18—25, 1937.
11.	Gurevich, L.: On the Absorption of High Frequency Sound in Me-
tals, J. Phys. (U. S. S. R.), vol. 9, pp. 383—384, 1945.
12.	Ke, T. S.: Experimental Evidence of the Viscous Behavior of Grain
Boundaries in Metals, Phys, Rev., vol. 71, no. 8, pp. 533—546, Apr. 15, 1947.
13.	Quimby, S. L.: On The Experimental Determination of the Viscosity
of Vibrating Solids, Phys. Rev., vol. 25, pp. 558—573, April, 1925.
14.	Stephens, R. W. B., and A. E. Bate: «Wave Motion and Sound»,
p. 247, Edward Arnold & Co., London, 1950.
15.	We gel, R. L., and Z. Walther: Internal Dissipation in Solids for
Small Cyclic Strains, Physics, vol. 6, pp. 141—157, 1935.
16	Randall, R. H., F. C. R о s e, and C. Zener: Intercrystalline Ther-
mal Currents as a Source of Internal Friction, Phys, Rev., pp. 56, 343, 1939.
17.	Bancroft, D., and R. B. Jacobs: An Electrostatic Method of Mea-
suring Elastic Constants, Rev. Sci. Instr., vol. 9, pp. 279—281, September, 1938.
18.	Parfitt, G. G.: Energy Dissipation in Solids at Sonic and Ultraso-
nic Frequencies, Nature, vol. 164, no. 4168, pp. 489—490, Sept. 17, 1949.
19.	В о r d о n i, P. G.: Metodo elettroacustico per ricerche sperimentali sulla
elasticila, Nuovo cimento, vol. 4, no. 3—4; pp. 177—1947.
20.	Nolle, A. W.: Methods for Measuring Dynamic Mechanical Properties
of Rubber-like Materials, J. Appl. Phys., vol. 19, no. 8, pp. 753—774, August,
1948.
21.	Forster, F., and W. Koster: A New Method of Measurement for
Determining Modulus of Elasticity and Damping, Z. Metallk., vol. 29, pp. 109—
115, 116—123, 1937.
22.	F u s f e 1 d, H. L: Apparatus for Rapid Measurement of Internal Fric-
tion, Rev. Sci., Instr., vol. 21, no. 7, pp. 612—616, July, 1950.
23.	В r a d f i e 1 d, G.: Precise Measurement of Velocity and Attenuation
Using Ultrasonic Waves, Nuovo cimento Suppl. 2, vol. 7, pp. 162—181, 1950.
24.	Hatfield, W. H., G. Standfield, and L. Rotherham: Trans.
North East Coast Inst. Engrs. & Shipbuilders, vol. 58, p. 273, 1942.
25.	Forster, F., and W. Koster: Modulus of Elasticity and Damping
in Relation to State of the Material, J. Inst. Elect. Engrs., vol. 84, pp. 558—564,
1939.
26.	Brick, R. M, and A. Phillips: Fatigue and Damping Studies of
Aircraft Sheet Materials, Trans. An. Soc. Metals, vol. 29, pp. 435—469, June,
1941.
27.	G u i 11 e t, L., Jr.: Influence de la composition chimique et de la Structu-
re de certain allaiges metalliques sur leur capacite d’amortissement, Rev. met.,
vol. 43, pp. 265—267, 1946.
28.	F г о m m e r, L., and A Murray: The Influence of the Heat Treatment
of Steel on the Damping Capacity at Low Stresses, J. Irom Steel Inst., vol. 151,
pp. 45—53, 1945.
29.	Sound Waves Test Cylinder Heads, Electronics, pp. 99—100, October,
1951.
30.	L e s 1 i e, J. R., and W. H. C h e e s m a n: An Ultrasonic Method of Stu-
dying Deterioration and Cracking in Concrete Structures, Proc. Am. Concrete
Inst., vol. 46, 1949.
31.	Kesler, Clyde E., and Yoshiro Higuchi: Deternination of
Compressive Strength of Concrete by Using Its Sonic Properties, at 56th Annual
Meeting of the ASTM, June, 1953.
346
К главе 10
1.	Harr er, John R.: Greater Acceptance of Welding through the Use
of Inspection Methods, Welding J., vol. 36, no. 3, pp. 252—256, March, 1957.
2.	American Society for Testing Materials: Tentative Method for Powder
Magnetic Particle Inspection, E109—55T.
3.	Caine, John B.: Magnetic Particle Inspection Standards, Foundry,
pp. 84—89, December, 1955.
4.	Forster, F.: A Method for the Measurement of DC Magnetic Fields
and DC Field Differences and its Application to Nondestructive Testing, J. Soc.
Nondestructive Testing, vol. 13, no 5, pp. 31—41, Septenber—October, 1955.
5.	F a 1 к e v i c h, A. S.: Magnetographic Method of Inspection, Svaroch-
noe Proizvodstvo, no. 7, pp. 10—12, 1955; Brutcher Translation 3729.
6.	Forster, F.: Electromagnetic Methods of Nondestructive Testing,
Tech. Mitt., vol., 50, no. 4, pp. 162—174, 1957; Brutcher Translation 3956.
7.	К о d i s, R. D., and R. Shaw: Crawler Detects Gun Barrel Cracks,
Electronics, vol. 24, pp. 93—95, July—September, 1951.
8.	Farrow, C.: Nondestructive Electrical Testing of Metals, U.S. Pa-
tent 2,415,789, Feb. 11, 1947.
9.	Farrow, C.: Method and Apparatus for Determining Phase Shift, U. S.
Patent 2,416, 517, 1947.
10.	Farrow, C.: Method and Apparatus for Magnetic Testing, U.S. Pa-
tent 2,434,203, Jan. 6. 1948.
II.	Farrow, Cecil, and Horace C. Knerr: U. S. Patent Re. 21,003,
Feb. 14, 1939.
12.	Cook, W. G.: Aero Engine Division, Rolls Royce Limited, private com-
munication.
13.	Steindorf, W., and B. Cohen: Effective Thickness of Chromium
Plate on the Sensitivity of Magnetic Particle Inspection, WADC Tech. Rept. 57—
342, October, 1957.
К главе 11
1.	Diamond, M. J.: «Magnetic and Resistance Methods Used in Non-
destructive Testing», Society of Automotive Engineers, Atlantic City, N. J., June
6—11, 1954.
2.	G r e e n s 1 a d e, G. R., and W. J. Eisenbeis: Electrical Methods,
in ASME Handbook, «Metals Engineering — Design», Sec. 1—4, pp. 260—266,
McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1953.
3.	Sciaky, D.: Apparatus for Checking the Quality of Welds, U. S. Pa-
tent 2, 142, 619, Jan. 3, 1939.
4.	H i r s t, G. W. C.: An Apparatus for an Electrical Determination of
the Depth of Transverse Cracks, J. Inst. Eng., vol. 19, pp. 145—150, 1947.
5.	M c G о n n a g 1 e, W. J., H. M о n a w e c k, and W. G. Marburger:
Methods of Bond Testing, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 13, no. 2, pp. 17—
22, March-April, 1955.
6.	Astbury, N. F., and S. P. Roper: A Direct-Reading Silicon Meter
for Electrical Sheet Steels and a Note on Resistivity, J. Sci. Instr., vol. 25,
pp. 191—193, 1948.
7.	Rotherham, L., and J. I. Morley: A Rapid Mehod for the Ana-
lysis of Light Alloys Based on Electrical Resistivity, J. Inst. Metals, vol. 73,
p. 213, 1947.
8.	S t о r m о n t, D. H.: Corrosion Rates Directly Measured by New Re-
sistance Method, Oil Gas J., Jan. 21, 1957.
9.	Agnew, N. W.: Sorting Alloys, Electronics, vol. 19, pp. 124—125,
September, 1946
10.	Staats, Henry N.: The Testing of Ceramics, J. Soc. Nondestruc-
tive Testing, vol. 10, no. 3, pp. 23—26, Winter, 1952.
11.	Orr, Stanley C.: Methods for Testing for Enamel Coating Disconti-
nuities, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 10, no. 4, pp. 23—27, Spring, 1952,
347
К главе 12
1.	Forster, F., and К. Stambke: A Method of Nondestructive Tes-
ting Employing a Slip-over Coil, Z. Metallk., vol. 45, no. 4, pp. 171—179, 1954.
2.	Libby, H. L.: Basic Principles and Techniques of Eddy Current Tes-
ting, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 1'4, no. 6, pp. 12—18, November-De-
cember, 1956.
3.	Oliver, R. B, and J. W. Allen: Inspection of Small Diameter Tu-
bing by Eddy Current Methods, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 15, no. 2,
pp. 104—109, March-April, 1957.
4.	Forster, F.: Die Zerstorungsfiere Messing der Dicke von Nichtmetal-
lischen and Metallischen Oberflachenschichten, Metall, vol. 7, p. 320, May, 1953.
5.	Yates, W. A., and J. L. Queen: Sheet and Plated Metal Measure-
ments with a Phase Single Type Probe, AIEE Trans., vol. 73, part I,
p. 138, 1954.
6.	Ren ken, C. J., and D. L. Waidelich: Minimizing the Effect
of the Probe-to-Metal Spacing in Eddy Current Testing, ASTM, Spec. Tech.
Pub. 223, 1958.
7.	Waidelich, D. L., and C. J. Renken: The Impedance of a Coil
Near a Conductor, Proc. Natl. Electronics Conf., vol. 12, p. 188, 1956.
8.	R e n к e n, C. J., and R. G. Myers: A Multi-frequency Eddy Cur-
rent Testing System, Argonne National Laboratory Report ANL — 5861.
9.	McGonnagle, W. J.: Testing of Cylindrical Fuel Elements Using
the Cyclograph, ASTM, Spec. Tech. Pub 223, 1958.
10.	Oliver, R. B., and J. W. Allen: Inspection of Small Diameter
Tubing by Eddy Current Methods, ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
11.	Warren, William J.: Probolog — An Application of Eddy Current
Techniques to Nondestructive Testing, Corrosion, vol. 10, pp. 318—323, Octo-
ber, 1954.
12.	Betz, R. A.: Two Applications of Eddy Current Instruments to Tes-
ting of Zircaloy Core Components, ASTM, Spec. Tech, Pub. 223, 1958.
13.	Smith, В. M.: A Metals Comparator for the Inspection and Classi-
fication of Metals, J. Soc. Nondestructive Testing, vol. 11, no. 2, pp. 41—46,
Fall, 1952.
14.	Forster, F., and H. Breit f eld: Theoretical and Experimental
Basis for the Nondestructive Materials Testing with Eddy Current Methods. V.
Quantitative Crack Testing of Metallic Materials with "Feed-through Coil, Z.
Metallk., vol. 45, no. 4, pp. 188—193, 1954.
15.	Forster, F.: Theoretical and Experimental Basis for the Nondest-
ructive Material Testing with Eddy Current Instrument with Feed-through Coils
for the Quantitative Nondestructive Material Testing Z. Metallk., vol. 4, no. 4,
pp. 180—187, 1954.
16.	Symposium on Nondestructive Tests in the Field of Nuclear Energy,
ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
17.	Robinson, R. C.: Nondestructive Test for Intergranular Corro-
sion in Stainless Steel, ASTM, Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
18.	Linsey, G. D., and H. L. Libby: Nickel Depth Meter, ASTM,
Spec. Tech. Pub. 223, 1958.
19.	Ross, J. D., A Cladding Thickness Tester for Flat Fuel Elements, E.
I. du Pont de Nemours & Company, Savannah River Report DP—117, August,
1955.
20.	В r e n n e r, Abner, and Jean Garcia-Rivera: An Electronic
Thickness Gage, Plating, vol. 40, no. 11, pp. 1238—1244, November, 1953.
21.	Waidelich D. L.: Pulsed Eddy Currents Gage Plating Thickness,
Electronics, vol. 28, no. 11, pp. 146—147, November, 1955.
22.	G u n n, Ross: Apparatus and Method for Detecting Defects in Metal-
lic Objects, U. S. Patent 2, 162, 710, June 20, 1939.
23.	Renken, C. J., and W. J. McGonnagle: Eddy Current Tech-
niques for Testing Liquid Metal Bonding, ASTM, Spect. Tech. Pub. 223, 1958.
24.	Cavanagh, P. E.: A Method for Predicting Failure of Metals, ASTM
Bull. 143, pp. 30—33, December, 1946
348
К главе 13
1.	Feigel, Fritz: «Spot Tests», vol. I—Inorganic Applications, vol.
II—Organic Applications, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1954’
2.	Jirkovsky, R.: Chemical Abstracts 25, 5640, 1931.
3.	Hunter, M. S., J. R. Churchill, and R. B. Mears: Electrographic Me-
thods of Surface Analysis, Metal Progr., vol. 42, pp. 1070—1076, December. 1942.
4.	Caley, E. R.: Aluseum News, vol. 15, no. 5, pp. 9—11, 1937.
5.	ASTM Symposium on Rapid Methods for the Identification of Metals,
ASTM, Spec. Tech. Pub. 98, 1950.
6.	Hilborn, H. S., and R. C. Pugh: Spot Tests for Contaminants on
Aluminum, E. I. du Pont de Nemours & Company, Report DP—88, 1954.
7.	Kirchhoff, G. R., and R. Bunsen: Chemische Analyse Durch Spect-
ral Beobachtungen, Ann. d. Physik, vol. 110, pp. 161—189, 1860.
8.	S a w у e r, R a 1 p h A.: «Experimental Spectroscopy», Prentice—Hall,
Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1944.
9.	В г о d e, W a 11 a c e R.: «Chemical Spectroscopy», John Wiley &
Sons, Inc., New York, 1939.
10.	H a r r i s о n, G. R., R. C. L о r d, and J. R. L о f b о u г о w: «Practical
Spectroscopy», Prentice—Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1949.
11.	T u г у m a n, F.: «Metal Spectroscopy», Charles Griffin & Co., Ltd.,
London, 1951.
12.	Spark T e s t i n g, Iron Age, Sept. 26, 1935, and Oct. 3, 1935.
13.	Rubin, Sylvan, Thomas O. Passell, and L. Evan Bailey: Chemi-
cal Analysis of Surfaces by Nuclear Methods, Analyt. Chem., vol. 29, no. 5,
pp. 736—743, May, 1957.
14.	L a u b e n s t e i n, R. A., M. J. W. L a u b e n s t e i n, L. J. Koester,
and R. C. Mobley: The Elastic Scattering and Capture of Protons by Oxygen.
Phys. Rev., vol. 84, no. 1, pp. 12—18, October, 1951.
15.	E n d t, P. M., and J. С. К 1 u у v e r: Energy Levels of Light Nuclei,
Rev. Mod. Phys., vol. 26, no. 1, pp 95—166, January, 1954.
16.	Battelle Memorial Institute: Electron Microanalyzer, Battele Tech. Rev.,
vol. 6, no. 12, p. 14, 1957.
17.	Barrett, C. S.: «Structure of Metals», 2d ed., McGraw-Hill Book
Company, Inc., New York, 1952.
18	Klug, H. P., and L. E. Alexander: «Х-ray Diffraction Procedures»,
John Wiley & Sons, Inc., New York, 1954.
19.	M i h a 1 i s m, J. R.: A Study of X-ray Stress Measurement Techniques,
submitted for partial fulfillment of Doctor of Science degree, Massachusetts
Institute of Technologx, 1953.
20.	N о r t о n, J. T., and В. M. Loring: Stress Measurements in Weld-
ments by X-rays, Welding J., vol. 20, pp. 284s—287s, 1941.
21.	Norton, J. T., and D. Rosenthal: An Investigation of the Beha-
vior of Residual Stresses under External Load and Their Effect on Safety, Wel-
ding J., vol. 22, pp. 63s—78s, 1943.
22	К i n e 1 s к i, E. H., and J. A. Berger: X-ray Diffraction for Residual
Stress Measurements of Restrained Weldment, Welding J., vol. 36, pp. 5130—
5175, December, 1957.
23.	Z a n d m a n, F., and Marc R. Wood: Photostress, Product Eng,
pp. 167—178, September, 1956.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....................................................... 5
Глава 7. Введение.
Методы испытаний. Проведение испытаний. Проверка резуль-
татов испытаний. Преимущества испытаний без разрушения.
Виды дефектов............................................6—11
Г лава 2. Визуальный контроль.
Внешний осмотр без специальных приспособлений. Оптические
вспомогательные приборы. Фотографический метод. Измере-
ние плоскостности и шероховатости поверхностей. Светочув-
ствительные приборы......................................13—30
Глава 3. Испытание давлением и контроль по методу течеискания.
Гидростатические испытания. Пузырьковые испытания. Тече-
искание с использованием радиоактивных веществ. Контроль
с помощью галоидных течеискателей. Контроль с помощью
гелиевого течеискателя. Термический течеискатель .	.	. 35—47
Г лава 4. Контроль по методу проникающих жидкостей.
Метод керосиновой пробы. Проникающие жидкости, применяе-
мые в промышленности. Техника проведения испытаний.
Пробные образцы. Оборудование. Техника безопасности. Ра-
диоактивные проникающие жидкости. Фильтрующиеся ча-
стицы ...................................................48—58
Глава 5. Термические методы.
Испытание на «морозные узоры». Термография. Термические
испытания с помощью плавких покрытий. Термочувствитель-
ные пигменты. Инфракрасная фотография. Фоточувствитель-
ные полупроводниковые приборы и инфракрасная радиомет-
рия. Термисторы. Эвапорограф.............................60—75
Глава 6. Рентгенография.
Генерация рентгеновских лучей. Электромагнитное излучение.
Поглощение рентгеновского излучения. Рассеяние рентгенов-
ского излучения. Обработка рентгеновских фотопленок. Ти-
пы пленок. Геометрические факторы. Фильтры. Экраны. Ре-
гистрация рентгеновских лучей. Практика промышленной
рентгенографии. Графики экспозиции. Эталоны (дефектомет-
ры). Экспонирование на нескольких пленках. Рентгеногра-
фирование сварных соединений. Рентгенографирование труб.
Стандартные рентгенограммы. Флуороскопия. Интенсифика-
торы яркости. Фоторадиография. Микрорадиография. Высоко-
скоростная радиография (радиография вспышкой). Ксеро-
350
радиография. Бетатронная радиография. Строборадиография.
Увеличение с разверткой. Процесс «Пикер-Поляроид». Элек-
тронографирование. Нейтронографирование..................77—148
Глава 7. Гаммаграфирование.
Основные понятия радиоактивности. Источники гамма-излу-
чения. Дозиметрический контроль. Применение и хранение
радиоактивных источников.................................153—168
Глава 8. Ультразвуковой контроль.
Виды волновых колебаний. Распространение пучка ультразву-
ковых волн. Генерирование ультразвуковых волн. Волны
Рэлея. Волны Лэмба. Техника проведения испытаний. Си-
стемы создания акустического изображения. Дефектоскоп
Файрстоуна. Прозвучивание по методу пропускания. Про-
звучивание по методу резонанса. Измерение толщины по
резонансному методу. Приборы, основанные на принципе ре-
зонанса. Приборы, основанные на принципе пропускания.
Прозвучивание по методу отражения. Типичная форма изоб-
ражений на экране дефектоскопа. Применение метода отра-
жения при ультразвуковом контроле. Применение сдвиговых
волн. Контроль сварных соединений. Контроль труб. Приме-
нение поверхностных волн............................	170—227
Г лава 9. Динамические испытания.
Собственные колебания. Методы возбуждения колебаний.
Экспериментальные методы определения констант упругости
твердых тел. Затухание колебаний. Внутреннее трение. Экспе-
риментальные методы определения характеристик внутрен-
него трения. Выявление дефектов с помощью методов, осно-
ванных на измерении характеристик затухания. Другие ме-
тоды динамических испытаний.............................. 231—249
Глава 10. Магнитные методы.
Метод магнитных частиц. Рекомендации по применению мето-
да магнитных частиц. Стандарты испытаний по методу маг-
нитных частиц. Другие методы магнитного контроля. Щуп
Форстера. Контроль плакированных изделий Магнитный
анализ. Измерение физических свойств. Магнитные компара-
торы...................................................... 253-270
Глава //.Электрические методы.
Измерение электрического сопротивления. Методы, основан-
ные на измерении электрического сопротивления. Методы,
основанные на измерении падения потенциала. Определение
состава сплавов. Трибоэлектрический метод. Термоэлектри-
ческий компаратор. Метод статического электрического поля.
Метод «Статифлюкс». Диэлектрический метод контроля.	272—284
Г лава 12. Методы вихревых токов
Диаграмма импеданса. Детектирование вихревых токов.
Компенсация влияния зазора между датчиком и изделием.
«Циклограф». «Проболог». Компаратор металлов. Электро-
магнитные приборы Форстера. Прибор для контроля
труб малого диаметра. Прибор для определения степени
межкристаллитной коррозии. Измерение толщины покрытий.
Контроль магнитных материалов по методу вихревых токов.
Другие области применения вихревых токов. .	285—324
351
Глава 13. Другие методы испытаний без разрушения.
Капельная проба. Электротипия. Сернотипия. Спектрохимиче-
ский анализ. Проба на искру. Анализ поверхности с помо-
щью ядерного рассеяния. Электронный метод. Активацион-
ный анализ. Методы измерения напряжений и деформаций. 328—335
Глава 14. Заключение.	336
Литература ,	......................... ...	340
Редактор издательства Л. Н. Данилов
Переплет художника А. Я. Михайлова
Технические редакторы А. Ф. Уварова, Н. В. Тимофеева Корректор Р. Ф Цветкова
Сдано в производство 16/VIII 1964 г.	Подписано к печати 16/1 1965 г.
Тираж 4400 экз.	Печ. л. 22,0	Бум. л. 11,0	Уч.-изд. л. 23,0
Формат 60X90716	Темплан 1964 г., № 232, Цена 1 р. 76 к	Зак. 586
Московская типография № 6 Главполиграфпрома
Государственного комитета Совета Министров СССР по печати
Москва, Ж-88, 1-й Южно-портовый пр., 17.