Phương pháp kiểm tra không phá hủy NDT

Phương pháp kiểm tra không phá hủy (NonDestructive Testing) là tài liệu cung cấp các kiến thức về các phương pháp kiểm tra mối hàn: phương pháp thẩm thấu (Penetrant Testing), phương pháp từ tính (MPI or MT), phương pháp phóng xạ (RT), phương pháp siêu âm (UT), ...

a  product's  final  use,  NDT  provides  an  excellent  balance  between  quality  control  and 

cost­effectiveness. 

Nondestructive Evaluation 

Nondestructive Evaluation (NDE) is a term that is often used interchangeably with NDT. However, technically, NDE is used to describe measurements that are more quantitative 

Nondestructive  testing  has  been  practiced  for  many  decades.  One  of  the  earliest applications was the detection of surface cracks in railcar wheels and axles. The parts were dipped in oil, then cleaned and dusted with a powder. When a crack was present, the oil would seep from the defect and wet the oil providing visual indication indicating that  the  component  was  flawed.  This  eventually  led  to  oils  that  were  specifically formulated for performing these and other inspections and these inspection techniques are now called penetrant testing. 

X­rays were discovered in 1895 by Wilhelm Conrad Roentgen (1845­1923) who was a Professor  at  Wuerzburg  University  in  Germany.  Soon  after  his  discovery,  Roentgen produced  the  first  industrial  radiograph  when  he  imaged  a  set  of  weights  in  a  box  to show  his  colleagues.  Other  electronic  inspection  techniques  such  as  ultrasonic  and eddy  current  testing  started  with  the  initial  rapid  developments  in  instrumentation spurred by technological advances and subsequent defense and space efforts following World  War  II.  In  the  early  days,  the  primary  purpose  was  the  detection  of  defects. Critical  parts  were  produced  with  a  "safe  life"  design,  and  were  intended  to  be  defect free  during  their  useful  life.  The  detection  of  defects  was  automatically  a  cause  for removal of the component from service. 

The  continued  improvement  of  inspection  technology,  in  particular  the  ability  to  detect smaller  and  smaller  flaws,  led  to  more  and more  parts  being  rejected.  At  this  time  the discipline of fracture mechanics emerged, which enabled one to predict whether a crack 

of  a  given  size  would  fail  under  a  particular  load  if  a  particular  material  property  or fracture  toughness,  were  known.  Other  laws  were  developed  to  predict  the  rate  of growth of cracks under cyclic loading (fatigue). With the advent of these tools, it became possible  to  accept  structures  containing  defects  if  the  sizes  of  those  defects  were known.  This  formed  the  basis  for  a  new  design  philosophy  called  "damage  tolerant designs."  Components  having  known  defects  could  continue  to  be  used  as  long  as  it could be established that those defects would not grow to a critical size that would result 

in  catastrophic  failure.  A  new  challenge  was  thus  presented  to  the  nondestructive testing community. 

Mere  detection  of  flaws  was  not  enough.  One  needed  to  also  obtain  quantitative information  about  flaw  size  to  serve  as  an  input  to  fracture  mechanics  calculations  to predict the remaining life of a component. These needs, led to the creation of a number 

of research programs around the world and the emergence of nondestructive evaluation (NDE) as a new discipline

Visual and Optical Testing (VT) 

Visual  inspection involves  using  an  inspector's  eyes  to  look  for  defects.  The  inspector may also use special tools such as magnifying glasses, mirrors, or borescopes to gain access and more closely inspect the subject area. Visual examiners follow procedures 

that range fm simple to very complex. 

Penetrant Testing (PT) 

Test  objects  are  coated  with  visible  or  fluorescent  dye  solution.  Excess  dye  is  then removed  from  the  surface,  and  a  developer  is  applied.  The  developer  acts  as  blotter, drawing  trapped  penetrant out  of imperfections  open  to  the  surface. With  visible  dyes, vivid color contrasts between the penetrant and developer make "bleedout" easy to see. With  fluorescent  dyes,  ultraviolet  light  is  used  to  make  the  bleedout  fluoresce  brightly, thus allowing imperfections to be readily seen

This  method  is  accomplished  by  inducing  a  magnetic  field  in  a  ferromagnetic  material and  then  dusting  the  surface  with  iron  particles  (either  dry  or  suspended  in  liquid). Surface  and  near­surface imperfections  distort  the  magnetic  field  and  concentrate iron 

particles near imperfections, previewing a visual indication of the flaw. 

Electromagnetic Testing (ET) or Eddy Current Testing 

Electrical  currents  are  generated  in  a  conductive  material  by  an  induced  alternating magnetic  field  This  electrical  currents  is  called  eddy  currents  because  they  flow  in circles  at  and  just  below  the  surface  of  the  material.  Interruptions  in  the  flow  of  eddy currents,  caused  by  imperfections,  dimensional  changes,  or  changes  in  the  material's conductive and permeability properties, are detected

Radiography  involves  the  use  of  penetrating  gamma  or  X­radiation  to  examine  parts and products for imperfections. An X­ray generator or radioactive isotope is used as a source of radiation. Radiation is directed through a part and onto film or other imaging media.  The  resulting  radiograph  shows  the  dimensional  features  of  the  part.  Possible imperfections  are  indicated  as  density  changes  on  the  film  in  the  same  manner  as  a 

medical X­ray shows broken bones. 

Ultrasonic Testing (UT) 

Ultrasonics  use  transmission  of  high­frequency  sound  waves  into  a  material  to  detect imperfections  or  to  locate  changes  in  material  properties.  The  most  commonly  used ultrasonic testing technique is pulse echo, wherein sound is introduced into a test object and  reflections  (echoes)  are  returned  to  a  receiver  from  internal  imperfections  or  from the part's geometrical surfaces 

When a solid material is stressed, imperfections within the material emit short bursts of acoustic energy called "emissions." As in ultrasonic testing, acoustic emissions can be detected by special receivers. Emission sources can be evaluated through the study of 

their intensity, rate, and location. 

Leak Testing (LT) 

Several techniques are used to detect and locate leaks in pressure containment parts, pressure  vessels,  and  structures.  Leaks  can  be  detected  by  using  electronic  listening devices, pressure gauge measurements, liquid and gas penetrant techniques, and/or a simple soap­bubble test

gauging, composition testing 

Thickness gauging 

Thickness gauging, grade sorting 

Defects only 

Defects only The Relative Uses and Merits of Various NDT Methods

Enables  Detectiort of 

Advantages  Limitations  Remarks 

glass Weld sizing gauge Pocket rule Straight edge Workmanship standards 

Surface flaws ­ cracks, 

porosity, unfilled craters, slag inclusions Warpage, underwelding, overwelding, poorly formed beads, 

misalignments, improper fitup 

Low cost. 

Can be applied while work is 

in process, permitting correction of faults. 

Gives indication of incorrect procedures. 

Applicable 

to surface defects only. 

Provides no permanent record. 

Should always be the primary method of inspection, no matter what other techniques are required. 

Is the only 

"productive" type of inspection. 

Is the necessary function of everyone who 

in any way contributes to the making of 

the weld. 

Radiographic  Commercial 

X­ray or gamma units made 

especially for inspecting welds, castings and forgings. 

Film and processing facilities. 

Fluoroscopic viewing equipment. 

Interior macroscopic flaws ­ cracks, porosity, blow holes, 

nonmetallic inclusions, incomplete root penetration, undercutting, icicles, and burnthrough. 

When the indications are recorded on film, gives a permanent record. 

When viewed 

on a fluoroscopic screen, a low­ 

cost method of internal 

inspection 

Requires skill in choosing angles of exposure, operating equipment, and 

interpreting indications. 

Requires safety precautions. 

Not generally suitable for fillet weld inspection. 

X­ray inspection is required by many codes and 

specifications. Useful in qualification 

of welders and welding processes. Because of cost, its use should be limited to those areas where other methods will not provide the assurance required

Simpler to use than radiographic inspection. 

Permits controlled sensitivity. 

Relatively low­cost method. 

Applicable to ferromagnetic materials only. 

Requires skill 

in interpretation 

of indications and 

recognition of irrelevant patterns. 

Difficult to use 

on rough surfaces. 

Elongated defects parallel 

to the magnetic field may not give pattern; for this reason the field should 

be applied from two directions at or near right angles to each 

Excellent for locating leaks 

in weldments. 

Applicable to magnetic and nonmagnetic materials. 

Easy to use. 

Low cost. 

Only surface defects are detectable. 

Cannot be used effectively on hot assemblies. 

In thin­walled vessels will reveal leaks not ordinarily located by usual air tests. irrelevant surface conditions (smoke, slag) may give misleading 

to be detected 

by other methods. 

Especially for detecting subsurface lamination­like defects. 

Very sensitive. 

Permits probing of joints inaccessible 

to radiography. 

Requires high degree of skill 

in interpreting pulse­echo patterns. 

Permanent record is not readily obtained. 

Pulse­echo equipment is highly developed for weld inspection purposes. The transmission­ type equipment simplifies pattern interpretation where it is applicable

IDENTIFICATION OF WELD DISCONTINUITIES

Discontinuities are interruptions in the typical structure of a material These interruptions may occur in the base metal, weld material or "heat affected" zones Discontinuities, which do not meet the requirements of the codes or specification used to invoke and control an inspection, are referred to as defects

General Welding Discontinuities

The following discontinuities are typical of all types of welding

Cracks:

Crack is tight linear separations of metal that can be very short to very long indications Cracks are grouped as hot or cold cracks Hot cracks usually occur as the metal solidifies at elevated temperatures Cold cracks occur after the metal has cooled to ambient temperatures ( delayed cracks)

Cracks can be detected in a radiograph only when they are propagating in a direction that produces a change in thickness that is parallel to the x-ray beam Cracks will appear as jagged and often very faint irregular lines Cracks can sometimes appear as

"tails" on inclusions or porosity

Lack of Fusion:

Lack of fusion (Cold Lap) is a condition where the weld filler metal does not properly fuse with the base metal or the previous weld pass material (inter pass cold lap) The arc does not melt the base metal sufficiently and causes the slightly molten puddle to flow into base material without bonding

Porosity:

Porosity is the result of gas entrapment in the solidifying metal Porosity can take many shapes on a radiograph but often appears as dark round or irregular spots or specks appearing singularly, in clusters or rows Sometimes porosity is elongated and may have the appearance of having a tail This is the result of gas attempting to escape while the metal is still in a liquid state and is called wormhole porosity All porosity is a void in the material it will have a radiographic density more than the surrounding area

Cluster porosity:

Cluster porosity is caused when flux coated electrodes are contaminated with moisture The moisture turns into gases when heated and becomes trapped in the weld during the welding process Cluster porosity appear just like regular porosity in the radiograph but

together

Slag inclusions:

Slag inclusions are nonmetallic solid material entrapped in weld metal or between weld and base metal In a radiograph, dark, jagged asymmetrical shapes within the weld or along the weld joint areas are indicative of slag inclusions

Incomplete penetration (IP):

Incomplete penetration (IP) or lack of penetration (LOP) occurs when the weld metal fails to penetrate the joint It is one of the most objectionable weld discontinuities Lack

of penetration allows a natural stress riser from which a crack may propagate The appearance on a radiograph is a dark area with well-defined, straight edges that follows the land or root face down the center of the weldment

Root concavity:

Root or Internal concavity or suck back is condition where the weld metal has contracted as it cools and has been drawn up into the root of the weld On a radiograph

it looks similar to lack of penetration but the line has irregular edges and it is often quite wide in the center of the weld image

Internal or root undercut:

Internal or root undercut is an erosion of the base metal next to the root of the weld In the radiographic image it appears as a dark irregular line offset from the centerline of the weldment Undercutting is not as straight edged as LOP because it does not follow

a ground edge

External or crown undercut:

External or crown undercut is an erosion of the base metal next to the crown of the weld In the radiograph, it appears as a dark irregular line along the outside edge of the weld area

Offset or mismatch:

Offset or mismatch are terms associated with a condition where two pieces being welded together are not properly aligned The radiographic image is a noticeable difference in density between the two pieces The difference in density is caused by the difference in material thickness The dark, straight line is caused by failure of the weld metal to fuse with the land area

Inadequate weld reinforcement:

Inadequate weld reinforcement is an area of a weld where the thickness of weld metal deposited is less than the thickness of the base material It is very easy to determine by radiograph if the weld has inadequate reinforcement, because the image density in the area of suspected inadequacy will be more (darker) than the image density of the surrounding base material

Excess weld reinforcement :

Excess weld reinforcement is an area of a weld that has weld metal added in excess of that specified by engineering drawings and codes The appearance on a radiograph is a localized, lighter area in the weld A visual inspection will easily determine if the weld reinforcement is in excess of that specified by the engineering requirements

Discontinuities in TIG welds

The following discontinuities are peculiar to the TIG welding process These discontinuities occur in most metals welded by the process including aluminum and stainless steels The TIG method of welding produces a clean homogeneous weld which when radiographed is easily interpreted

Tungsten inclusions

Tungsten is a brittle and inherently dense material used in the electrode in tungsten inert gas ( TIG ) welding If improper welding procedures are used, tungsten may be entrapped in the weld Radiographically, tungsten is denser than aluminum or steel; therefore, it shows as a lighter area with a distinct outline on the radiograph

Oxide inclusions:

Oxide inclusions are usually visible on the surface of material being welded (especially aluminum) Oxide inclusions are less dense than the surrounding materials and, therefore, appear as dark irregularly shaped discontinuities in the radiograph

Discontinuities in Gas Metal Arc Welds (GMAW)

The following discontinuities are most commonly found in GMAW welds

Whiskers:

Whiskers are short lengths of weld electrode wire, visible on the top or bottom surface

of the weld or contained within the weld On a radiograph they appear as light, "wire like" indications

Burn-Through:

Burn-Through results when too much heat causes excessive weld metal to penetrate the weld zone Often lumps of metal sag through the weld creating a thick globular condition on the back of the weld These globs of metal are referred to as icicles On a radiograph, burn through appears as dark spots, which are often surrounded by light globular areas (icicles)

to be viwed in darkened conditions with an ultraviolet "black light". 

A  very  early  surface  inspection  technique  involved  the  rubbing  of  carbon  black  on glazed pottery, whereby the carbon black would settle in surface cracks rendering them visible.  Later  it  became  the  practice  in  railway  workshops  to  examine  iron  and  steel components  by  the  "oil  and  whiting"  method.  In  this  method,  heavy  oil  commonly available  in  railway  workshops  was  diluted  with  kerosene  in  large  tanks  so  that locomotive  parts  such  as  wheels  could  be  submerged.  After  removal  and  careful cleaning, the surface was then coated with a fine suspension of chalk in alcohol so that 

a white surface layer was formed once the alcohol had evaporated. The object was then vibrated  and  stroked  with  a  hammer,  causing  the  residual  oil  in  any  surface  cracks  to seep out and stain the white coating. 

This method was in use from the latter part of the 19th century through to approximately 

1940,  when  the  magnetic  particle  method  was  introduced  and  found  to  be  more sensitive  for  the  ferromagnetic  iron  and  steels.  Penetrant  Inspection  Improves  the Detect ability of Flaws 

The  advantage  that  a  liquid  penetrant  inspection  (LPI)  offers  over  an  unaided  visual inspection  is  that  it  makes  defects  easier  to  see  for  the  inspector.  There  are  basically two ways that a penetrant inspection process makes flaws more easily seen. First, LPI produces a flaw indication that is much larger and easier for the eye to detect than the flaw itself. Many flaws are so small or narrow that they are undetectable by the unaided eye. 

The second way that LPI improves the detectability of a flaw is that it produces a flaw indication with a high level of contrast between the indication and the background which also helps to make the indication more easily seen. When a 

visible  dye  penetrant  inspection  is  performed,  the  penetrant  materials  are  formulated using a bright red dye that provides for a high level of contrast

between the white developer that serves as a background as well as to pull the trapped penetrant  from  the  flaw.  When  a  fluorescent  penetrant  inspection  is  performed,  the penetrant materials are formulated to glow brightly and to give off light at a wavelength 

that the eye is most sensitive to under dim lighting conditions. 

Basic Processing Steps of a Liquid Penetrant Inspection 

1.  Surface  Preparation:  One  of  the  most  critical  steps  of  a  liquid  penetrant 

inspection  is  the  surface  preparation.  The  surface  must  be  free  of  oil,  grease, water, or other contaminants that may prevent penetrant from entering flaws. The sample  may  also  require  etching  if  mechanical  operations  such  as  machining, sanding,  or  grit  blasting  have  been  performed.  These  and  other  mechanical operations can smear the surface of the sample, thus closing the defects. 

2.  Penetrant Application: Once the surface has been thoroughly cleaned and dried, the  penetrant  material  is  applied  on  the  surface  by  spraying,  brushing,  or immersing the parts in a penetrant bath. 

penetrant  dwell  time  as  long  as  the  penetrant  is  not  allowed  to  dry.  The  ideal dwell time is often determined by experimentation and is often very specific to a particular application. 

4­  Excess  Penetrant  Removal:  This  is  a  most  delicate  part  of  the  inspection 

procedure  because  the  excess  penetrant  must  be  removed  from  the  surface  of the  sample  while  removing  as  little  penetrant  as  possible  from  defects. Depending on the penetrant system used, this step may involve cleaning with a solvent,  direct  rinsing  with  water,  or  first  treated  with  an  emulsifier  and  then rinsing with water . 

5­  Developer Application: A thin layer of developer is then applied to the sample 

to  draw  penetrant  trapped  in  flaws  back  to  the  surface  where  it  will  be  visible. Developers  come  in  a  variety  of  forms  that  may  be  applied  by  dusting  (dry powdered), dipping, or spraying (wet developers). 

1­  Penetrant:  Penetrant  materials  are  classified  in  the  various  industry  and 

government specifications by their physical characteristics and their performance

Penetrant materials come in two basic types These types are listed below:

· Type 1 - Fluorescent Penetrants

· Type 2 ­ Visible Penetrants 

Fluorescent  penetrants  contain  a  dye  or  several  dyes  that  fluoresce  when  exposed  to ultraviolet  radiation.  Visible  penetrants  contain  a  red  dye  that  provides  high  contrast against  the  white  developer  background.  Fluorescent  penetrant  systems  are  more sensitive  than  visible  penetrant  systems  because  the  eye  is  drawn  to  the  glow  of  the fluorescing indication. However, visible penetrants do not require a darkened area and 

an  ultraviolet  light  in  order  to  make  an  inspection.  Visible  penetrants  are  also  less vulnerable  to  contamination  from  things  such  as  cleaning  fluid  that  can  significantly reduce the strength of a fluorescent indication

Penetrants are then classified by the method used to remove the excess penetrant from the part. The four methods are listed below:

Post  emulsifiable  penetrants  come  in  two  varieties,  lipophilic  and  hydrophilic.  In  post emulsifiers, lipophilic systems (Method B), the penetrant is oil soluble and interacts with the  oil­based  emulsifier  to  make  removal  possible.  Post  emulsifiable,  hydrophilic systems (Method D), use an emulsifier that is a water soluble detergent which lifts the excess  penetrant  from  the  surface  of  the  part  with  a  water  wash.  Solvent  removable 

1.  Method A: Water­Washable 

2.  Method B: Post Emulsifiable, Lipophilic

to  make  the  excess  penetrant  more  removable  with  a  water  wash.  Lipophilic emulsification  systems  are  oil­based  materials  that  are  supplied  in  ready­to­use  form. Hydrophilic  systems  are  water­based  and  supplied  as  a  concentrate  that  must  be diluted with water prior to use Lipophilic emulsifiers (Method B) were introduced in the late  1950's  and  work  with  both  a  chemical  and  mechanical  action.  After  the  emulsifier has  coated  the  surface  of  the  object,  mechanical  action  starts  to  remove  some  of  the excess penetrant as the mixture drains from the part. During the emulsification time, the emulsifier  diffuses  into  the  remaining  penetrant  and  the  resulting  mixture  is  easily removed with a water spray. 

Hydrophilic  emulsifiers  (Method  D) also  remove  the  excess  penetrant  with  mechanical and  chemical  action  but  the  action  is  different  because  no  diffusion  takes  place. Hydrophilic  emulsifiers  are  basically  detergents  that  contain  solvents  and  surfactants. The  hydrophilic  emulsifier  breaks  up  the  penetrant  into  small  quantities  and  prevents these pieces from recombining or reattaching to the surface of the part. The mechanical action  of  the  rinse  water  removes  the  displaced  penetrant  from  the  part  and  causes fresh remover to contact and lift newly exposed penetrant from the surface. 

The hydrophilic post emulsifiable method (Method D) was introduced in the mid 1970's and  since it is  more  sensitive  than  the lipophilic  post  emulsifiable  method  it  has  made the  later  method  virtually  obsolete.  The  major  advantage  of  hydrophilic  emulsifiers  is that  they  are  less  sensitive  to  variation  in  the  contact  and  removal  time.  While emulsification time should be controlled as closely as possible, a variation of one minute 

or more in the contact time will have little effect on flaw detectability when a hydrophilic emulsifier  is  used.  However,  a  variation  of  as  little  as  15  to  30  seconds  can  have  a 

significant effect when a lipophilic system is used. 

3­ Developers 

The role of the developer is to pull the trapped penetrant material out of defects and to spread the developer out on the surface of the part so it can be seen by an inspector. The fine developer particles both reflect and refract the incident ultraviolet light, allowing more  of  it  to  interact  with  the  penetrant,  causing  more  efficient  fluorescence.  The developer  also  allows  more  light  to  be  emitted  through  the  same  mechanism.  This  is why  indications  are  brighter  than  the  penetrant  itself  under  UV  light.  Another  function that  some  developers  performs  is  to  create  a  white  background  so  there  is  a  greater 

degree of contrast between the indication and the surrounding background. 

Developer Forms

The  AMS  2644  and  Mil­I­25135  classify  developers  into  six  standard  forms.  These forms are listed below: 

Unless the part is electrostatically charged, the powder will only adhere to areas where trapped  penetrant  has  wet  the  surface  of  the  part.  The  penetrant  will  try  to  wet  the surface  of  the  penetrant  particle  and  fill  the  voids  between  the  particles,  which  brings more  penetrant  to  the  surface  of  the  part  where  it  can  be  seen.  Since  dry  powder developers only stick to the part where penetrant is present, the dry developer does not provide  a  uniform  white  background  as  the  other  forms  of  developers  do.  Having  a uniform  light  background  is  very  important  for  a  visible  inspection  to  be  effective  and since dry developers do not provide one, they are seldom used for visible inspections. When  a  dry  developer  is  used,  indications  tend  to  stay  bright  and  sharp  since  the penetrant has a limited amount of room to spread. 

B) - Water Soluble 

As the name implies, water soluble developers consist of a group of chemicals that are dissolved in water and form a developer layer when the water is evaporated away. The best method for applying water soluble developers is by spraying it on the part. The part can  be  wet  or  dry.  Dipping,  pouring,  or  brushing  the  solution  on  to  the  surface  is sometimes  used  but  these  methods  are  less  desirable.  Aqueous  developers  contain wetting agents that cause the solution to function much like dilute hydrophilic emulsifier and  can  lead  to  additional  removal  of  entrapped  penetrant.  Drying  is  achieved  by placing the wet but well drained 

part in a recalculating warm air dryer with the temperature held between 70 and 75°F. If the parts are not dried quickly, the indications will will be blurred and indistinct. Properly developed parts will have an even, pale white coating over the entire surface

Water  suspendible  developers  consist  of  insoluble  developer  particles  suspended  in water.  Water  suspendible  developers  require  frequent  stirring  or  agitation  to  keep  the particles  from  settling  out  of  suspension. Water  suspendible  developers  are  applied  to parts  in  the  same  manner  as  water  soluble  developers.  Parts  coated  with  a  water suspendible  developer  must  be  forced  dried  just  as  parts  coated  with  a  water  soluble developer  are  forced  dried.  The  surface  of  a  part  coated  with  a  water  suspendible 

developer will have a slightly translucent white coating. 

B) ­ Nonaqueous 

Nonaqueous  developers  suspend  the  developer  in  a  volatile  solvent  and  are  typically applied with a spray gun. Nonaqueous developers are commonly distributed in aerosol spray  cans  for  portability.  The  solvent  tends  to  pull  penetrant  from  the  indications  by solvent  action.  Since  the  solvent  is  highly  volatile,  forced  drying  is  not  required.  A nonaqueous  developer  should  be  applied  to  a  thoroughly  dried  part  to  form  a  slightly 

translucent white coating. 

Preparation of Part 

One of the most critical steps in the penetrant inspection process is preparing the part for  inspection.  All  coatings,  such  as  paints,  varnishes,  plating,  and  heavy  oxides  must 

be  removed  to  ensure  that  defects  are  open  the  surface  of  the  part.  If  the  parts  have been machined, sanded, or blasted prior to the penetrant inspection, it is possible that a thin  layer  of  metal  may  have  smeared  across  the  surface  and  closed  off  defects.  It  is even possible for metal smearing to occur as a result of cleaning operations such as grit 

or vapor blasting. This layer of metal smearing must be removed before inspection. 

Contaminants 

Coatings,  such  as  paint,  are  much  more  elastic  than  metal  and  will  not  fracture  even though  a  large  defect  may  be  present  just  below  the  coating.  The  part  must  be thoroughly cleaned as surface contaminates can prevent the penetrant from entering a defect. Surface contaminants can also lead to a higher level of background noise since the excess penetrant may be more difficult to remove. 

Common  coatings  and  contaminates  that  must  be  removed  include:  paint,  dirt,  flux, scale,  varnish,  oil,  etchant,  smut,  plating,  grease,  oxide,  wax,  decals,  machining  fluid, rust, and residue from previous penetrant inspections. 

Some  of  these  contaminants  would  obviously  prevent  penetrant  from  entering  defects and  it  is,  therefore,  clear  that  they  must  be  removed.  However,  the  impact  of  other contaminants such as the residue from previous penetrant inspections is less clear, but they can have a disastrous affect on the inspection. Take the link below to review some

of  the  research  that  has  been  done  to  evaluate  the  effects  of  contaminants  on  LPI sensitivity. 

A  good  cleaning  procedure  will  remove  all  contamination  from  the  part  and  not  leave any residue that may interfere with the inspection process. It has been found that some alkaline  cleaners  can  be  detrimental  to  the  penetrant  inspection  process  if  they  have silicates in concentrations above 0.5 percent. Sodium metasilicate, sodium silicate, and related compounds can adhere to the surface of parts and form a coating that prevents penetrant entry into cracks. Researchers in Russia have also found that some domestic soaps  and  commercial  detergents  can  clog  flaw  cavities  and  reduce  the  wettability  of the  metal  surface,  thus,  reducing  the  sensitivity  of  the  penetrant.  Conrad  and  Caudill found  that  media  from  plastic  media  blasting  was  partially  responsible  for  loss  of  LPI indication  strength.  Microphotographs  of  cracks  after  plastic  media  blasting  showed media entrapment in addition to metal smearing. 

It  is  very important  that  the  material  being inspected  has  not been  smeared  across its own  surface  during  machining  or  cleaning  operations.  It  is  well  recognized  that machining,  honing,  lapping,  hand  sanding,  hand  scraping,  shot  peening,  grit  blasting, tumble deburring, and peening operations can cause a small amount of the material to smear  on  the  surface  of  some  materials.  It  is  perhaps  less  recognized  that  some cleaning  operations,  such  as  steam  cleaning,  can  also  cause  metal  smearing  in  the softer materials. Take the link below to learn more about metal smearing and its affects 

on LPI. 

Common Uses of Liquid Penetrant Inspection 

Liquid  penetrant  inspection  (LPI)  is  one  of  the  most  widely  used  nondestructive evaluation  (NDE)  methods.  Its  popularity  can  be  attributed  to  two  main  factors,  which are  its  relative  ease  of  use  and  its  flexibility.  LPI  can  be  used  to  inspect  almost  any material  provided  that  its  surface  is  not  extremely  rough  or  porous.  Materials  that  are commonly inspected using LPI include the following:

Penetrant material can be applied with a spray can or a cotton swab to inspect for flaws known to occur in a specific area or it can be applied by dipping or spraying to quickly inspect  large  areas.  At  right,  visible  dye  penetrant  being  locally  applied  to  a  highly loaded connecting point to check for fatigue cracking. 

Penetrant  inspection  systems  have  been  developed  to  inspect  some  very  large components.  In  this  picture,  DC­10  banjo  fittings  are  being  moved  into  a  penetrant inspection  system  at  what  used  to  be  the  Douglas  Aircraft  Company's  Long  Beach, California  facility.  These  large  machined  aluminum  forgings  are  used  to  support  the number 3 engine in the tail of a DC­10 aircraft. 

Liquid  penetrant  inspection  is  used  to  inspect  of  flaws  that  break  the  surface  of  the sample. Some of these flaws are listed below:

· Large areas and large volumes of parts/materials can be inspected rapidly and at low cost

· Parts with complex geometric shapes are routinely inspected

· Indications are produced directly on the surface of the part and constitute a visual representation of the flaw

· Penetrant materials and associated equipment are relatively inexpensive

Magnetic  particle  inspection  is  a  nondestructive  testing  method  used  for  surface  and near  surface  defect  detection.  MPI  is  a  fast  and  relatively  easy  to  apply  and  surface preparation is not as critical as it is for some other NDT methods. These characteristics make MPI one of the most widely utilized nondestructive testing methods

MPI  uses  magnetic  fields  and  small  magnetic  particles,  such  as  iron  filings  to  detect flaws in components. The only requirement is that the component being inspected must 

be made of a ferromagnetic material such iron, nickel, cobalt, or some of their alloys. Ferromagnetic materials are materials that can be magnetized to a level that will allow the inspection to be effective. 

The method is used to inspect a variety of product forms such as castings, forgings, and weldments. Many different industries use magnetic particle inspection for determining a component's  fitness­for­use.  Some  examples  of  industries  that  use  magnetic  particle inspection  are  the  structural  steel,  automotive,  petrochemical,  power  generation,  and aerospace  industries.  Underwater  inspection  is  another  area  where  magnetic  particle inspection  may  be  used  to  test  items  such  as  offshore  structures  and  underwater 

pipelines. 

Basic Principles 

In theory, magnetic particle inspection (MPI)  is a relatively simple concept. Consider a bar  magnet.  It  has  a  magnetic  field  in  and  around  the  magnet.  Any  place  that  a magnetic  line  of  force  exits  or  enters  the  magnet  is  called  a  pole.  A  pole  where  a magnetic line of force exits the magnet is called a north pole and a pole where a line of force enters the magnet is called a south pole. 

When a bar magnet is broken in the center of its length, two complete bar magnets with magnetic poles on each end of each piece will result. If the magnet is just cracked but not broken completely in two, a north and south pole will form at each edge of the crack. The magnetic field exits the north pole and reenters the at the south pole. The magnetic field spreads out when it encounter the small air gap created by the crack because the air cannot support as much magnetic field per unit volume as the magnet can. When the field  spreads  out,  it  appears  to  leak  out  of  the  material  and,  thus,  it  is  called  a  flux leakage field

of the crack. This cluster of particles is much easier to see than the actual crack and this 

is the basis for magnetic particle inspection. 

The first step in a magnetic particle inspection is to magnetize the component that is to 

be inspected. If any defects on or near the surface are present, the defects will create a leakage field. After the component has been magnetized, iron particles, either in a dry 

or wet suspended form, are applied to the surface of the magnetized part. The particles will  be  attracted  and  cluster  at  the  flux  leakage  fields,  thus  forming  a  visible indication 

that the inspector can detect. 

History of Magnetic Particle Inspection 

Magnetism is the ability of matter to attract other matter. The ancient Greeks were the first  to  discover  this  phenomenon  in  a  mineral  they  named  magnetite.  Later  on Bergmann,  Becquerel,  and  Faraday  discovered  that  all  matter  including  liquids  and gasses were affected by magnetism, but only a few responded to a noticeable extent. 

The earliest known magnetic inspection an object took place as early as 1868. Cannon barrels  were  checked  for  defects  by  magnetizing  the  barrel  then  sliding  a  magnetic compass along the barrel's length. These early inspectors were able to locate flaws in the barrels by monitoring the needle of the compass. 

In  the  early  1920’s,  William  Hoke  realized  that  magnetic  particles  could  be  used  with magnetism  as  a  means  of  locating  defects.  Hoke  discovered  that  a  surface  or subsurface  flaw  in  a  magnetized  material  caused  the  magnetic  field  to  distort  and extend  beyond  the  part.  This  discovery  was  brought  to  his  attention  in  the  machine shop.  He  noticed  that  the  metallic  grindings  from  hard  steel  parts,  which  were  being held by a magnetic chuck while being ground, formed patterns on the face of the parts

to the parts caused a build up of powder over flaws and formed a visible indication. 

Today,  the  MPI  inspection  method  is  used  extensively  to  check  for  flaws  in  a  large variety of manufactured materials and components. MPI is used to check materials such 

as steel bar stock for seams and other flaws prior to investing machining time during the manufacturing of a component. Critical automotive components are inspected for flaws after fabrication to ensure that defective parts are not placed into service. MPI is used to inspect some highly loaded components that have been in­service for a period of time. For example, many components of high performance race cars are inspected whenever the engine, drive train and other systems are overhauled. MPI is also used to evaluate the  integrity  of  structural  welds  on  bridges,  storage  tanks,  pipelines  and  other  critical 

in pairs and, thus, the name dipole. 

A bar magnet can be considered a dipole with a north pole at one end and South Pole 

at the other. A magnetic field can be measured leaving the dipole at the North Pole and returning  the  magnet  at  the  South  Pole.  If  a  magnet  is  cut  in  two,  two  magnets  or dipoles are created out of one. This sectioning and creation of dipoles can continue to the atomic level. Therefore, the source of magnetism lies in the basic building block of 

all matter the atom. 

The Source of Magnetism 

All  matter  is  composed  of  atoms,  and  atoms  are  composed  of  protons,  neutrons  and electrons. The protons and neutrons are located in the atom's nucleus and the electrons are in constant motion around the nucleus. Electrons carry a negative electrical charge and produce a magnetic field as they move through space. A magnetic field is produced 

whenever  an  electrical  charge  is  in  motion.  The  strength  of  this  field  is  called  the 

magnetic moment. 

consider  electric  current  flowing  through  a  conductor.  When  the  electrons  (electric current) are flowing through the conductor, a magnetic field forms around the conductor

The  magnetic  field  can  be  detected  using  a  compass.  The  magnetic  field  will  place  a force on the compass needle. 

Since  all  matter  is  comprised  of  atoms,  all  materials  are  affected  in  some  way  by  a 

magnetic field. However, not all materials react the same way. 

Diamagnetic, Paramagnetic, and Ferromagnetic Materials 

In  most  atoms,  electrons  occur  in  pairs.  Each  electron  in  a  pair  spins  in  the  opposite direction.  So  when  electrons  are  paired  together,  there  opposite  spins  cause  their magnetic  fields  to  cancel  each  other.  Therefore,  no  net  magnetic  field  exists. Alternately,  materials  with  some  unpaired  electrons  will  have  a  net  magnetic  field  and will  react  more  to  an  external  field.  Most  materials  can  be  classified  as  ferromagnetic, 

diamagnetic or paramagnetic. 

Diamagnetic  metals  have  a  very  weak  and  negative  susceptibility  to  magnetic  fields. 

Diamagnetic materials are slightly repelled by a magnetic field and the material does not retain the magnetic properties when the external field is removed. Most elements in the 

periodic table, including copper, silver, and gold, are diamagnetic. 

Paramagnetic metals have a small and positive susceptibility to magnetic fields. These 

materials are slightly attracted by a magnetic field and the material does not retain the magnetic properties when the external field is removed. Paramagnetic materials include 

magnesium, molybdenum, lithium, and tantalum. 

Ferromagnetic  materials  have  a  large  and  positive  susceptibility  to  an  external 

magnetic field. They exhibit a strong attraction to magnetic fields and are able to retain their  magnetic  properties  after  the  external  field  has  been  removed.  They  get  their strong magnetic properties due to the presence of magnetic domains. In these domains, large numbers of atoms moments (10 12 to 10 15 ) are aligned parallel so that the magnetic force within the domain is strong. When a ferromagnetic material is in the unmagnitized state, the domains are nearly randomly organized and the net magnetic field for the part 

During  solidification  a  trillion  or  more  atom  moments  are  aligned  parallel  so  that  the magnetic  force  within  the  domain  is  strong in  one  direction.  Even  though  the  domains are  magnetically  saturated,  the  bulk  material  may  not  show  any  signs  of  magnetism because the domains develop themselves are randomly oriented relative to each other. 

Ferromagnetic  materials  become  magnetized  when  the  magnetic  domains  within  the material  are  aligned.  This  can  be  done  by  placing  the  material  in  a  strong  external magnetic  field or  by  passing  electrical  current  through  the  material.  Some  or  all of  the domains  can  become  aligned.  The  more  domains  are  aligned,  the  stronger  the magnetic  field  in  the  material.  When  all  of  the  domains  are  aligned,  the  material  is magnetically  saturated  and  additional  amount  of  external  magnetization  force  will  not 

north pole to south pole in air. 

Electromagnetic Fields

to  show  the  interaction  of  the  magnetic  field.  The  magnetic  field  is  essentially  uniform down the length of the coil when it is wound tighter.

The strength of a coil's magnetic field increases not only with increasing current but also with each loop that is added to the coil. A long straight coil of wire is called a solenoid and  can  be  used  to  generate  a  nearly  uniform  magnetic  field  similar  to  that  of  a  bar magnet.  The  concentrated  magnetic  field  inside  a  coil  is  very  useful  in  magnetizing ferromagnetic  materials  for  inspection  using  the  magnetic  particle  testing  method. Please be aware that the field outside the coil is weak and is not suitable for magnetize 

Plotting  the  change  in  magnetic  flux  B  induced  a  ferromagnetic  material  while  the magnetizing force H is changed generates the hysteresis loop. A ferromagnetic material that  has  never  been  previously  magnetized  or  has  been  thoroughly  demagnetized  will 

follow  the  dashed  line  as  H  is  increased.  As  the  line  demonstrates,  the  greater  the  amount of current applied (H+), the stronger the magnetic field in the component (B+). 

At point "a" almost all of the magnetic domains are aligned and an additional increase in the magnetizing force will produce very little increase in magnetic flux. The material has reached the point of magnetic saturation. 

When H is reduced back down to zero, the curve will move from point "a" to point "b." At 

this point, it can be seen that some  magnetic flux remains in the material even though the magnetizing force is zero, this is referred to as the point of retentivity on the graph and  indicates  the  remanence  or  level  of  residual  magnetism  in  the  material.  (Some  of the  magnetic  domains  remain  aligned  but  some  have  lost  there  alignment.)  As  the magnetizing force is reversed, the curve 

moves to point "c", where the flux has been reduced to zero. This is called the point of coercivity  on  the  curve.  (The  reversed  magnetizing  force  has  flipped  enough  of  the domains  so  that  the  net  flux  within  the  material is  zero.) The  force  required  to remove the residual magnetism from the material, is called the coercive force or coercivity of the material. 

As  the  magnetizing  force is  increased in  the negative  direction,  the  material  will  again 

become  magnetically saturated but in the opposite direction (point "d"). Reducing H to

achieved in the other direction. Increasing H back in the positive direction will return B 

to  zero.  Notice  that  the  curve  did  not  return  to  the  origin  of  the  graph  because  some force is required to remove the residual magnetism. The curve will take a different path from point "f" back the saturation point where it with complete the loop. 

From the hysteresis loop, a number of primary magnetic properties of a material can be 

determined. 

Retentivity  ­  A  measure  of  the  residual  flux  density  corresponding  to  the  saturation 

induction  of  a  magnetic  material.  In  other  words,  it  is  a  material's  ability  to  retain  a certain amount of residual magnetic field when the  magnetizing force is removed after 

achieving saturation. (The value of B at point B on the hysteresis curve.) 

Residual  Magnetism  or  Residual  Flux  ­  the  magnetic  flux  density  that  remains  in  a 

material  when  the  magnetizing  force  is  zero.  Note  that  residual  magnetism  and retentivity are the same when the material has been magnetized to the saturation point. However, the level of residual magnetism may be lower than the retentivity value when 

a component

A  longitudinal  magnetic  field  has  magnetic  lines  of  force 

that  run  parallel  to  the  long  axis  of  the  part.  Longitudinal 

magnetization of a component can be accomplished using 

the longitudinal field set up by a coil or solenoid. It can also 

be accomplished using permanent or electromagnets

A circular magnetic field has magnetic lines of force  that 

run  circumferentially  around  the  perimeter  of  a  part.  A 

circular  magnetic  field  is  induced  in  an  article  by  either 

passing  current  through  the  component  or  by  passing 

current through a conductor surrounded by the component. 

To  magnetize  the  part  in  two  directions  is  important  because  the  best  detection  of defects  occurs  when  the  lines  of  magnetic  force  are  established  at  right  angles  to  the longest  dimension  of  the  defect, if  the  magnetic  field is  parallel  to  the  defect,  the  field will see little disruption and no flux leakage field will be produced. 

An orientation of 45 to 90 degrees between the magnetic field and the defect is 

necessary to form an indication. Since defects may occur in various directions, each part is normally magnetized in two directions at right angles to each other. To determine most of the defects

After conducting a magnetic particle inspection, it is usually necessary to demagnetize the component 

Remanent magnetic fields can:

· Affect machining by causing cuttings to cling to a component

· Interfere with electronic equipment such as a compass

· Create a condition known as "ark blow" in the welding process. Arc blow may cause the weld arc to wonder or filler metal to be repelled from the weld

· Cause abrasive particle to cling to bearing or faying surfaces and increase wear. 

Magnetizing Equipment for Magnetic Particle Inspection 

To properly inspect a part for cracks or other defects, it is important to become familiar with the different types of magnetic fields and the equipment used to generate them. As discussed  previously,  one  of  the  primary  requirements  for  detection  of  a  defect  in  a ferromagnetic  material is  that  the  magnetic  field  induced in  the  part  must  intercept the defect at a 45 to 90 degrees angle. Flaws that are normal (90 degrees) to the magnetic field  will  produce  the  strongest  indications  because  they  disrupt  more  of  the  magnet flux. 

A variety of equipment exist to establish the magnetic field for MPI. Some equipment is designed  to  be  portable  so  that  inspections  can  be  made  in  the  field  and  some  is designed  to  be  stationary  for  ease  of  inspection  in  the  laboratory  or  manufacturing 

facility. 

Permanent magnets