Диагностика и контроль качества изделий машиностроения

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА  
ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

 
УДК 621.9.08 
ББК 34.44 
Д44 
 
 
Авторы: 
Бутенко В. И., Коваль Н. С., Лебедев В. А., Болдырев А. И.  
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой технологии машиностроения  
Липецкого государственного технического университета, д. т. н., профессор 
Козлов Александр Михайлович; 
профессор кафедры машиностроительных технологий и оборудования  
Юго-Западного государственного университета, д. т. н., профессор  
Ивахненко Александр Григорьевич 
 
 
 
 
 
 
Д44   
Диагностика и контроль качества изделий машиностроения : 
учебное пособие / [Бутенко В. И. и др.]. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 188 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1799-0 
 
Приводятся основные сведения о методах и средствах неразрушающего контроля 
и технической диагностики качества машиностроительных изделий на всех стадиях 
их изготовления и эксплуатации. Внимание акцентируется на современных общедоступных методах и средствах неразрушающего контроля и технической диагностики 
качества изделий для условий действующих машиностроительных предприятий. 
Освещаются вопросы физической сущности процессов и явлений, на основе которых 
разработаны приборы и устройства неразрушающего контроля и технической диагностики качества изделий. Указываются конкретные виды машиностроительного производства, где применение рассматриваемых методов и средств неразрушающего контроля и технической диагностики качества изделий может быть наиболее эффективно. 
Для студентов вузов и специалистов машиностроительных направлений и приборостроения. 
 
УДК 621.9.08 
ББК 34.44 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1799-0 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД ............................. 7 
1.1. Классификация дефектов изделий ................................................................. 7 
1.2. Структура неразрушающего контроля  
и технической диагностики изделий 
..................................................................... 9 
1.3. Методы контроля и диагностирования производcтвенно-технологичеcких 
и эксплуатационных дефектов изделий .............................................................. 12 
1.3.1. Дефекты и контроль отливок ................................................................. 12 
1.3.2. Дефекты поковок, штамповок и проката и их контроль 
..................... 14 
1.3.3. Дефекты термообработки металлов и их обнаружение ...................... 16 
1.3.4. Дефекты механической обработки деталей и их обнаружение ......... 17 
1.3.5. Дефекты соединения материалов в деталях и их выявление ............. 17 
1.3.6. Эксплуатационные дефекты и их контроль ......................................... 22 
1.4. Выбор метода и системы неразрушающего контроля  
и технической диагностики качества изделия ................................................... 23 
1.5. Стандартизация методов и средств неразрушающего контроля  
и технической диагностики 
.................................................................................. 28 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................. 30 
2. РАДИАЦИОННАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ИЗДЕЛИЙ ....................................... 31 
2.1. Классификация и сущность методов радиационной дефектоскопии 
....... 31 
2.2. Радиографический метод НК ........................................................................ 32 
2.3. Радиоскопический метод НК ........................................................................ 38 
2.4. Радиометрический метод НК ........................................................................ 40 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................. 44 
3. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ .................................... 45 
3.1. Сущность акустических методов контроля 
................................................. 45 
3.2. Классификация акустических методов контроля ....................................... 50 
3.3. Аппаратура ультразвукового контроля 
........................................................ 56 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................. 59 
4. НК И ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ  
ПРОНИКАЮЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ .................................................................. 60 
4.1. Основные положения, область применения методов капиллярного  
неразрушающего контроля и диагностирования ............................................... 60 
4.2. Основные положения, область применения методов течеискания 
........... 66 
Вопросы для самопроверки 
.................................................................................. 77 
5. МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ 
......................... 78 
5.1. Классификация и сущность методов магнитного неразрушающего  
контроля и технической диагностики качества изделий .................................. 78 
5.2. Магнитопорошковый метод неразрушающего контроля .......................... 84 
5.3. Магнитографический метод неразрушающего контроля .......................... 89 
5.4. Феррозондовый метод неразрушающего контроля 
.................................... 90 
5.5. Индукционный метод неразрушающего контроля 
..................................... 92 
5.6. Магнитная толщинометрия ........................................................................... 93 
5.7. Контроль механических свойств и структуры изделий ............................. 95 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 100 
 
3

 
6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ .......... 101 
6.1. Классификация и физические основы электрических методов  
контроля качества изделий .................................................................................. 101 
6.2. Конструкции преобразователей 
.................................................................. 103 
6.3. Электропотенциальные приборы контроля дефектов 
.............................. 107 
6.4. Приборы регистрации искажения электромагнитного поля ................... 108 
6.5. Термоэлектрические приборы контроля дефектов 
................................... 110 
6.6. Электроискровые, трибоэлектрические и импульсные приборы ........... 111 
6.7. Устройство для определения толщины поверхностного слоя детали 
.... 113 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 114 
7. ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА 
ИЗДЕЛИЙ 
................................................................................................................. 115 
7.1. Общая характеристика вихретоковых методов контроля 
........................ 115 
7.2. Классификация и области применения  
вихретоковых преобразователей ....................................................................... 116 
7.3. Специализированные приборы неразрушающего контроля  
и диагностирования качества изделий .............................................................. 118 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 126 
8. РАДИОВОЛНОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА  
КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ 
.................................................................... 127 
8.1. Физические основы и элементная база радиоволновых  
методов контроля ................................................................................................. 127 
8.2. Классификация радиоволновых методов и средств контроля ................ 129 
8.3. Радиомониторинг температуры в зоне контакта деталей трибосистем 
...... 141 
8.4. Радиополяризационный контроль сварных стыков металлических труб 
большого диаметра 
.............................................................................................. 146 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 150 
9. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА 
ИЗДЕЛИЙ 
................................................................................................................. 151 
9.1. Физические основы оптического неразрушающего контроля  
и диагностирования изделий 
.............................................................................. 151 
9.2. Оптические приборы контроля размеров изделий, шероховатости  
поверхностей и погрешностей формы .............................................................. 152 
9.3. Приборы оптической дефектоскопии ........................................................ 158 
9.4. Лазерные дефектоскопы .............................................................................. 163 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 165 
10. ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ  
И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ......................................... 166 
10.1. Физические основы и элементная база теплового контроля  
и диагностирования качества изделий .............................................................. 166 
10.2. Средства контроля температуры изделий ............................................... 169 
Вопросы для самопроверки 
................................................................................ 177 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 178 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 179 
 
4

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Обеспечение высокого качества продукции – одна из наиболее важных 
научно-технических проблем современного производства, значение которой 
возрастает по мере усложнения конструкций. В общем случае под качеством 
изделия (в том числе, детали или металлоконструкции) понимают совокупность 
свойств продукции, обусловливающих её пригодность удовлетворять определённым потребностям в соответствии с её назначением [41, 42, 43, 44]. Система 
технического контроля качества изделий является неотъемлемой частью любого производственного процесса, а отдельные элементы системы разрабатываются одновременно с разработкой технологии производства и в обязательном 
порядке фиксируются в утвержденных технологических процессах. 
Среди разнообразных методов контроля качества изделий ответственная 
роль принадлежит разработке и внедрению в производство методов и средств 
неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД) качества изготавливаемого изделия, эффективность которых определяется, прежде всего, 
их достоверностью и производительностью. Контроль подразумевает проверку 
соответствия параметров объекта установленным техническим требованиям,  
а неразрушающие методы контроля не должны нарушать пригодность объекта 
к применению. Несоответствие продукции установленным требованиям является дефектом, для обнаружения и поиска которого используются теория, методы 
и средства технической диагностики. Обнаружение и поиск дефектов являются 
процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином «диагностирование». Для получения информации в НК и ТД используют 
все виды физических полей и излучений, химических взаимодействий и процессов, мониторинг с помощью транспорта, постов наблюдения, переносных 
приборов, компьютерных технологий обработки информации. Итоговым результатом становится определение остаточного ресурса эксплуатации объекта  
с помощью соответствующих инструкций, методик и стандартов. Средства НК 
и ТД создаются аппаратными, программными внешними и встроенными,  
ручными и автоматизированными, специализированными или универсальными 
[38, 39, 46].  
 
Зарождение НК и ТД обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. 
рентгеновских лучей, которые позволили обнаружить металлический предмет  
в закрытой деревянной коробке. Большая роль в развитии методов неразрушающего контроля принадлежит Р. И. Янусу, Л. Г. Меркулову, С. Т. Назарову,  
А. С. Фалькевичу, Н. С. Акулову, М. Н. Михееву, Ю. И. Иоришу, Н. М. Родигину, Н. В. Химченко, С. В. Румянцеву, И. Н. Ермолову, Т. Я. Гораздовскому, 
В. Г. Герасимову, Ф. Ферсгеру, Р. Мак-Мастеру, Н. Крауткремеру, Х. Бергеру, 
Р. Шарпу и многим другим ученым. Метод ультразвуковой дефектоскопии 
впервые был предложен в 1928 г: проф. С. Я. Соколовым. В 1952 г. С. Маховером и Ю. Усенко был предложен магнитографический метод [15]. 
Анализ работы современных предприятий свидетельствует о том, что 
контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, так как ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения её 
 
5

 
технических характеристик. В связи с усложнением конструкций машин и механизмов и требований неуклонного повышения надёжности новой техники 
трудоёмкость контрольных операций в промышленности резко увеличивается. 
При этом, благодаря НК и ТД на всех этапах изготовления и приёмки, радикально повышается качество продукции, увеличивается её надёжность. На этапе производства НК позволяет осуществлять непрерывный контроль – от операции к операции – за правильностью изменения свойств заготовок и деталей  
и их сборкой, а затем проверить качество готового изделия. На этапе эксплуатации НК позволяет реализовать в объектах непрерывный контроль внутренних 
процессов, характеризующих прочностные свойства и степень надежности этого объекта к любому моменту времени. Таким образом, НК и ТД направлены  
на обеспечение качества продукции производства, которое определяется как 
совокупность планируемых и систематически осуществляемых процессов, процедур, операций и отдельных мероприятий, необходимых для подтверждения 
того, что выпускаемая предприятием продукция удовлетворяет определённым 
требованиям и качеству. Недооценка роли НК и ТД или неквалифицированное 
их проведение может привести к тяжёлым последствиям при эксплуатации машин, механизмов и другой продукции производства [53, 67, 68]. 
Следует отметить, что достаточно полную объективную информацию  
о контролируемом объекте нельзя получить, регистрируя только эффекты взаимодействия с объектом контроля поля одной природы. Можно утверждать, что 
нет ни одного безошибочного метода контроля. Например, использование рентгеновского излучения при контроле сварных швов не гарантирует выявления 
трещин, несплавлений и т. п. Поэтому должны применяться комбинированные, 
разные по принципу взаимодействия с веществом методы контроля, которые 
могут исключить недостатки исследования, взаимно дополнить друг друга и 
обеспечить получение достаточной информации о качестве промышленной 
продукции [69, 76].  
В настоящем учебном пособии рассмотрены общие вопросы НК и ТД, 
раскрывающие сущность и виды дефектов изделий наиболее часто выявляемых 
при различных технологических процессах машино- и приборостроительных 
производств. Приводится описание современных методов НК и ТД, применяемых в условиях производства, к которым относят: магнитный, электрический, 
вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами. 
Отдельное внимание уделено организации служб НК и ТД, а также их 
стандартизации и метрологическому обеспечению. 
 
 
 
6

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД 
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД 
 
1.1. Классификация дефектов изделий 
 
В общем случае под дефектом понимают каждое несоответствие продукции установленным требованиям. Эти требования обычно указывают в такой 
нормативной документации, как в правилах контроля (ПК), технических условиях (ТУ) и т. д. При этом различают дефекты явные (наружные) и скрытые 
(внутренние), исправимые и неисправимые. Некоторые явные дефекты (поверхностные риски, подрезы, забоины, вмятины, деформация деталей и т. д.) 
выявляют визуально при внешнем осмотре. Скрытые дефекты можно обнаружить только с помощью инструментов или приборов, предусмотренных нормативной документацией (раковины в литых заготовках, непровары и трещины  
в сварных швах, шлифовочные трещины на поверхности деталей и т. д.). 
Дефект, устранение которого технически возможно и экономически целесообразно, называют исправимым; если же устранение дефекта технически невозможно или связано с большими затратами, то его называют неисправимым. 
Исправимость и неисправимость дефекта определяют применительно  
к рассматриваемым конкретным условиям производства и ремонта с учётом затрат и других факторов. 
В зависимости от влияния на работоспособность и безопасность использования продукции дефекты подразделяют на критические, значительные и малозначительные: 
– критический – это дефект, при наличии которого использование продукции по назначению практически невозможно или недопустимо, т. к. она  
не отвечает требованиям безопасности или надёжности; 
– значительным считается дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению и её долговечность, но не является критическим; 
– малозначительным является дефект, который не существенно влияет  
на использование продукции по назначению и её долговечность. 
По происхождению дефекты изделий подразделяют на конструктивные, 
производственные и эксплуатационные. К первой группе относят дефекты являющиеся следствием несовершенства конструкции из-за ошибок конструктора. Причины таких дефектов могут быть различными, например, неправильный 
выбор материалов или неверное назначение режимов термической обработки. 
Производственно-технологические дефекты, возникающие в ходе технологических процессов обработки деталей, сборке или ремонте изделия. Они 
возникают обычно в результате нарушений техпроцесса при производстве или 
восстановлении деталей, узлов и машин в целом, а также при неправильно 
назначенных технологических процессах. Встречающиеся в металлических изделиях и полуфабрикатах дефекты различают по размерам и расположению,  
а также по природе их происхождения. Они могут образовываться на всём протяжении «жизненного цикла» изделия.   
 
7

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД 
Эксплуатационные дефекты, возникающие после некоторой наработки 
изделия в результате усталости металла деталей, коррозии, изнашивания и неправильного технического обслуживания и эксплуатации.  
Более подробно о производственно-технологических и эксплуатационных 
дефектах изложено в разделе 1.3.  
При любом методе контроля о дефектах судят по косвенным признакам 
(характеристикам), свойственным данному методу. Некоторые из этих признаков поддаются измерению. В этом случае результаты измерения характеризуют 
выявленные дефекты и используются для их классификации. 
При этом для указанных дефектов характерен один общий признак, заключающийся в том, что они вызывают изменение физических характеристик 
материала, таких как удельная электрическая проводимость, магнитная проницаемость, коэффициент затухания упругих колебаний, плотность, коэффициент ослабления излучений и т. д. 
При контроле изделия, для каждого дефекта независимо от его вида может быть определён конкретный характеристический размер. Так, например, 
при радиографии и электромагнитном методе контроля характеристическим 
размером является отношение глубины дефекта к толщине металла (безразмерная величина) или условный коэффициент выявляемого дефекта (безразмерная 
величина). 
Для изделий одного типа характеристические размеры дефектов изменяются в определённом интервале и обусловлены большим числом случайных 
факторов. Если их значения подчиняются нормальному закону с плотностью 
вероятности [46]: 
2
)
(
ki
ki S
s
2
2
1
ki
 
 
 


 
,  
(1.1) 
2
ki
e
S
Ф
V
SV
ki
где    Ski – центр рассеивания, т. е. среднее значение характеристического размера дефекта k и вида i;  
ıki – среднее квадратическое отклонение характеристического размера 
дефекта типа k и вида i, то вероятность Рki(Ski ޓ Sо) того, что значения характеристического размера дефектов Ski превышают заданное Sо, составит [46]: 
2
)
(
S
S
2
2
f


 
!
ki
ki
³
0
2
1
)
(
V
SV
.  
(1.2) 
 
 
ki
S
ki
ki
ki
dS
e
S
S
P
ki
0
Таким образом, величина ıki характеризует различие в выявляемых однотипных и равновесных дефектах. При НК и ТД в зависимости от условий контроля и размеров дефект может быть выявлен или не выявлен, а минимальное 
значение характеристического размера дефекта изделия, фиксируемого при 
контроле с вероятностью 0,99 определяет предельную чувствительность используемого прибора НК или ТД. 
Предельная чувствительность дефектоскопа характеризуется минимальным размером дефекта, который ещё может быть обнаружен с заданной веро 
8

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД 
ятностью в данном изделии при данной настройке аппаратуры. Следует иметь в 
виду, что, с одной стороны, каждому варианту контроля может соответствовать 
своя предельная чувствительность для одного и того же изделия. С другой стороны, при одной и той же настройке аппаратуры при контроле разных изделий, 
например, из различных материалов, прибор имеет разные значения предельной 
чувствительности. 
 
1.2. Структура неразрушающего контроля  
и технической диагностики изделий 
 
Большинство рассмотренных дефектов вызывают изменение одной или 
нескольких физических характеристик металлов и их сплавов – плотности, 
электропроводности, магнитной проницаемости, упругих свойств и т. д. Исследование изменений характеристик металлов и обнаружение дефектов, являющихся причиной этих изменений, составляет физическую основу методов НК и ТД. 
Принято считать, что под термином неразрушающие физические методы 
контроля понимают виды контроля, обладающие двумя характерными признаками: 
во-первых, они не должны приводить к разрушению (или повреждению) контролируемого объекта, во-вторых, они основаны на взаимодействии физических полей 
или веществ с дефектами. В связи с этим в зависимости от общности физических 
принципов различают следующие виды НК [18]: 
– акустический НК – основан на анализе параметров упругих волн, возбуждаемых и (или) возникающих в контролируемом объекте. При использовании 
возбуждаемых упругих волн ультразвукового диапазона частот выше 20 кГц метод относят к ультразвуковому НК; 
– виброакустический НК – основан на регистрации параметров виброакустического сигнала, возникающего при работе контролируемого объекта; 
– вихретоковый НК – основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых 
токов, наводимых в контролируемом объекте; 
– магнитный НК – основан на анализе взаимодействия магнитного поля с 
контролируемым объектом; 
– НК проникающими веществами – основан на проникновении веществ в 
полости дефектов контролируемого объекта. При визуальном осмотре поверхностных дефектов метод относят к капиллярному, а при выявлении сквозных 
дефектов – течеисканию; 
– оптический НК – основан на регистрации параметров оптического излучения после взаимодействия с контролируемым объектом или собственного 
оптического излучения исследуемого объекта; 
– радиационный НК – основан на анализе параметров проникающего 
ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом; 
– радиоволновой НК – основан на регистрации изменений параметров 
электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом; 
– тепловой НК – основан на анализе параметров тепловых полей контролируемых объектов, вызванных дефектами; 
 
9

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ НК И ТД 
– электрический НК основан на анализе параметров электрического поля 
или электрического тока, взаимодействующих с контролируемым объектом или 
возникающими в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия. 
Рассмотренные методы НК принято подразделять по следующим признакам (рис. 1.1): 
I По характеру взаимодействия физических полей или веществ с контролируемым объектом – непосредственное взаимодействие поля или вещества с 
контролируемым объектом, но не с проникающим веществом. 
II По первичному информативному параметру – одна из основных характеристик физического поля или проникающего вещества, регистрируемая после 
взаимодействия этого поля или вещества с контролируемым объектом. 
III По способу получения первичной информации – совокупность характеристик физического поля или проникающего вещества, регистрируемая после 
взаимодействия этого поля или вещества с контролируемым объектом. 
Под техническим диагностированием в общем случае понимают определение технического состояния объекта, основными задачами которого могут 
являться контроль технического состояния объекта, определение причин отказа 
(неисправности) или прогнозирование технического состояния объекта.  
Система ТД (или просто диагностики) состояния изделий включает в себя 
совокупность средств и объектов диагностирования и, при необходимости, исполнителей, подготовленных к диагностированию или осуществляющих его по 
правилам, установленным соответствующей документацией. 
Различают следующие виды ТД: рабочее, тестовое и экспресс-тестовое.  
В первом случае диагностирование осуществляется во время функционирования объекта, на который поступает только рабочее воздействие, а в остальных – 
на объект подают тестовые воздействия. При этом при экспресс-тесте производится контроль ограниченных параметров за заранее определенный промежуток времени. 
В зависимости от структурной схемы ТД различают: 
– локальные системы, предназначенные для определения состояния составной части изделия или заготовки; 
– общие системы, используемые для определения состояния изделия в 
целом или отдельно заготовки; 
– встроенное средство, выполненное в общей конструкции с объектом 
контроля; 
– внешнее средство, размещенное отдельно от объекта диагностирования; 
– универсальное средство, предназначенное для объектов диагностирования различного конструктивного исполнения или функционального назначения; 
– специализированное средство, используемое только для однотипных 
объектов диагностирования; 
– автоматические системы, обеспечивающая проведение диагностирования (контроля) без участия человека; 
– автоматизированные системы, используемые для проведения диагностирования (контроля) с применением средств автоматизации и участием человека. 
 
10