Ndt

Non­destructive Testing 

Table of Contents  Chapter  No: 

Name of the Chapter 

Page  No 

1 

Course daily schedule 

1 

2 

Course Contents 

2 

3 

Introduction NDT processes & their Uses 

3 ­ 11 

4 

Identification of weld Discontinuities 

12 ­ 20 

5 

Penetrant Testing 

21­ 30 

6 

Magnetic Particle Testing 

31 – 48 

7 

Ultrasonic Testing 

49 ­60 

8 

Radiographic Testing 

61 ­ 77 

9 

Eddy Current Testing 

78 ­ 80 

10 

Comparison and Selection of NDT  Methods 

­  1 ­ 

81

Chapter I 

INTRODUCTION 

Nondestructive Testing  The  field  of  Nondestructive  Testing  (NDT)  is  a  very  broad,  that  plays  a  critical  role  in  assuring that structural components and systems perform their function in a reliable and  cost effective fashion. NDT technicians and engineers define and implement tests that  locate  and  characterize  material  conditions  and  flaws  that  might  otherwise  cause  serious accidents such as, planes to crash, reactors to fail, trains to derail, pipelines to  burst, and a variety of troubling events.  These tests are performed in a manner that does not affect the future usefulness of the  object or material. In other words, NDT allows parts and materials to be inspected and  evaluated without damaging them. Because it allows inspection without interfering with  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  in nature. For example, a NDE method would not only locate a defect, but it would also  be  used  to  measure  something  about  that  defect  such  as  its  size,  shape,  and  orientation.  NDE  may  be  used  to  determine  material  properties  such  as  fracture  toughness, ductility, conductivity and other physical characteristics.  Uses of NDE · ·  · · · · ·

Flaw Detection and Evaluation Leak Detection, Location Determination Dimensional Measurements Structure and Microstructure Characterization Estimation of Mechanical and Physical Properties Stress (Strain) and Dynamic Response Measurements Material Sorting and Chemical Composition Determination

­  2 ­ 

Background on Nondestructive Testing (NDT)  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.

­  3 ­ 

NDT/NDE Methods  The  list  of  NDT  methods  that  can  be  used  to  inspect  components  and  make  measurements is large and continues to grow. Researchers continue to find new ways  of  applying  physics  and  other  scientific  disciplines  to  develop  better  NDT  methods.  However,  there  are  six  NDT  methods  that  are  used  most  often.  These  methods  are  Visual  Inspection,  Penetrant  Testing,  Magnetic  Particle  Testing,  Electromagnetic  or  Eddy Current Testing, Radiography, and Ultrasonic Testing.  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.

­  4 ­ 

Magnetic Particle Testing (MT)  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.

­  5 ­ 

Radiography (RT)  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. 

Source 

Rays 

Object with defect  Film 

X­ray film  Film with image 

Defect Image 

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  Initial  pulse 

Probe  Back surface  echo 

Crack  echo 

Couplant  Sound  waves 

0 

2 

4 

.  Screen

6 

8 

crack 

1  0 

­  6 ­ 

Plate 

Acoustic Emission Testing (AE)  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.

­  7 ­ 

The Relative Uses and Merits of Various NDT Methods

Test  Method 

Eddy  Current 

MPI 

LPT 

High 

Low to  medium 

Medium 

Low 

Consumable  Very low  cost 

High 

Low 

Medium 

Medium 

Time of  results 

Immediate 

Delayed 

Immediate 

Short  delay 

Short  delay 

Effect of  geometry 

Important 

Important 

Important 

Not too  Important 

Not too  Important 

Access  problems 

Important 

Important 

Important 

Important 

Important 

Type of  defect 

Internal 

Most 

External 

External  Near  Surface 

Surface  breaking 

Relative  sensitivity 

High 

Medium 

High 

Low 

Low 

Operator  skill 

High 

High 

Medium 

Low 

Low 

Operator  training 

Important 

Important 

Important 

Important 

Not  Important 

Training  needs 

High 

High 

Medium 

Low 

Low 

Portability of  High  equipment 

Low 

High to  medium 

High to  medium 

High 

Thickness  gauging,  grade  sorting 

Defects  only 

Defects  only 

Capital cost 

Capabilities 

UT  Medium to  high 

X­ray 

Thickness  Thickness  gauging,  gauging  composition  testing 

­  8 ­ 

Table 1 ­ Reference Guide to Major Methods for the Nondestructive  Examination of Welds  Inspection  Method 

Equipment  Enables  Advantages  Limitations  Remarks  Required  Detectiort of 

Visual 

Magnifying  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.

­  9 ­ 

Magnetic  Special  Particle  commercial  equipment.  Magnetic  powders ­ dry  or wet form;  may be  fluorescent  for viewing  under  ultraviolet  light. 

Excellent for  detecting  surface  discontinuities  ­  especially  surface cracks. 

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  other. 

Commercial  Liquid  Penetrant  kits  containing  fluorescent or  dye penetrants  and  developers.  Application  equipment for  the developer.  A source of  ultraviolet  light ­ if  fluorescent  method is  used. 

Surface cracks  not readily  visible to the  unaided eye.  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  indications. 

Ultrasonic  Special  commercial  equipment,  either of the  pulse­echo or  transmission  type.  Standard  reference  patterns for  interpretation  of RF or  video  patterns. 

Surface and  subsurface  flaws including  those too small  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.

­  10 ­ 

Chapter II 

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.

­  11 ­ 

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.

­  12 ­ 

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 the

indications

will

be

together.

­  13 ­ 

grouped

close

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: ­  14 ­ 

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: ­  15 ­ 

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:

­  16 ­ 

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 ­  17 ­ 

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

radiograph.

Discontinuities in Gas Metal Arc Welds (GMAW) The following discontinuities are most commonly found in GMAW welds. ­  18 ­ 

in

the

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).

­  19 ­ 

Chapter III 

PENETRANT INSPECTION  Introduction  Liquid penetration inspection is a method that is used to reveal surface breaking flaws  by bleedout of a colored or fluorescent dye from the flaw. The technique is based on the  ability of a liquid to be drawn into a "clean" surface breaking flaw by  capillary action.  After  a  period  of  time  called  the  "dwell,"  excess  surface  penetrant  is  removed  and  a  developer  is  applied.  This  acts  as  a  "blotter."  It  draws  the  penetrant  from  the  flaw  to  reveal its presence.  Colored (contrast) penetrants require good white light while fluorescent penetrants need  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 ­  20 ­ 

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.  3.  Penetrant Dwell: The penetrant is left on the surface for a sufficient time to allow  as  much  penetrant  as  possible  to  be  drawn  from  or  to  seep  into  a  defect.  Penetrant dwell time is the total time that the penetrant is in contact with the part  surface. Dwell times are usually recommended by the 

penetrant  producers  or  required  by  the  specification  being  followed.  The  times  vary  depending on  the  application,  penetrant  materials  used,  the  material  being  inspected, and the type of defect being inspected. Minimum dwell times typically  range  from  5  to  60  minutes.  Generally,  there  is  no  harm  in  using  a  longer ­  21 ­ 

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).  6­  Indication Development: The developer is allowed to stand on the part surface  for a period of time sufficient to permit the extraction of the trapped penetrant out  of any surface flaws. This development time is usually a minimum of 10 minutes  and significantly longer times may be necessary for tight cracks.  7­  Inspection:  Inspection  is  then  performed  under  appropriate  lighting  to  detect  indications from any flaws that may be present.  8­  Clean  Surface:  The  final  step  in  the  process  is  to  thoroughly  clean  the  part  surface to remove the developer from the parts that were found to be acceptable.  Penetrant Testing Materials  The  penetrant  materials  used  today  are  much  more  sophisticated  than  the  kerosene  and whiting first used by railroad inspectors near the turn of the 20th century. Today's  penetrants  are  carefully  formulated  to  produce  the  level  of  sensitivity  desired  by  the  inspector.  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. ­  22 ­ 

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

Method A ­ Water Washable Method B ­ Post Emulsifiable, Lipophilic Method C ­ Solvent Removable Method D ­ Post Emulsifiable, Hydrophilic 

Water washable (Method A) penetrants can be removed from the part by rinsing with  water alone. These penetrants contain some emulsifying agent (detergent) that makes it  possible to wash the penetrant from the part surface with water alone. Water washable  penetrants are sometimes referred to as self­emulsifying systems.  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  penetrants require the use of a solvent to remove the penetrant from the part.  Properties of good Penetrant  To perform well, a penetrant must possess following  important characteristics. · · · · · ·

spread  easily  over  the  surface  of  the  material  being  inspected  to  provide  complete and even coverage. be drawn into surface breaking defects by capillary action. remain in the defect but remove easily from the surface of the part. remain fluid so it can be drawn back to the surface of the part through the drying  and developing steps. be highly visible or fluoresce brightly to produce easy to see indications. must not be harmful to the material being tested or the inspector. 

2­ Emulsifiers:  When removal of the penetrant from the defect due to over­washing  of  the  part  is  a  concern,  a  post  emulsifiable  penetrant  system  can  be  used.  Post  emulsifiable  penetrants  require  a  separate  emulsifier  to  break  the penetrant  down  and  make  it  water  washable.  Most  penetrant  inspection  specifications  classify  penetrant  systems into four methods of excess penetrant removal. These are listed below:  1.  Method A: Water­Washable  2.  Method B: Post Emulsifiable, Lipophilic ­  23 ­ 

3.  Method C: Solvent Removable  4.  Method D: Post Emulsifiable, Hydrophilic  Method  C  relies  on  a  solvent  cleaner  to  remove  the  penetrant  from  the  part  being  inspected. Method A has emulsifiers built into the penetrant liquid that makes it possible  to remove the excess penetrant with a simple water wash. Method B and D penetrants  require  an  additional  processing  step  where a  separate emulsification  agent is  applied  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 ­  24 ­ 

The  AMS  2644  and  Mil­I­25135  classify  developers  into  six  standard  forms.  These  forms are listed below:  1.  2.  3.  4.  5. 

Form a ­ Dry Powder  Form b ­ Water Soluble  Form c ­ Water Suspendible  Form d ­ Nonaqueous Type 1 Fluorescent (Solvent Based)  Form e ­ Nonaqueous Type 2 Visible Dye (Solvent Based) 

The  developer  classifications  are  based  on  the  method  that  the  developer  is  applied.  The  developer  can  be  applied  as  a  dry  powder,  or  dissolved  or  suspended  in  a  liquid  carrier. Each of the developer forms has advantages and disadvantages.  A)­ Dry Powder  Dry  powder  developer  is  generally  considered  to  be  the  least  sensitive  but  it  is  inexpensive to use and easy to apply. Dry developers are white, fluffy powders that can  be  applied  to  a  thoroughly  dry  surface  in  a  number  of  ways.  The  developer  can  be  applied  by  dipping  parts  in  a  container  of  developer,  or  by using a  puffer  to  dust  parts  with  the  developer.  Parts  can  also  be  placed  in a  dust  cabinet  where  the  developer is  blown  around  and  allowed  to  settle  on  the  part.  Electrostatic  powder  spray  guns  are  also  available  to  apply  the  developer.  The  goal  is  to  allow  the  developer  to  come  in  contact with the whole inspection area.  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. ­  25 ­ 

C) ­ Water Suspendible  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 ­  26 ­ 

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: · · · · ·

Metals (aluminum, copper, steel, titanium, etc.) Glass Many ceramic materials Rubber Plastics 

LPI offers flexibility in performing inspections because it can be applied in a large variety  of  applications  ranging  from  automotive  spark  plugs  to  critical  aircraft  components. ­  27 ­ 

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: · · · · · · · · ·

Fatigue cracks Quench cracks Grinding cracks Overload and impact fractures Porosity Laps Seams Pin holes in welds Lack of fusion or braising along the edge of the bond line 

As mentioned above, one of the major limitations of a penetrant inspection is that flaws  must be open to the surface. 

Advantages and Disadvantages of Penetrant Testing  Like all nondestructive inspection methods, liquid penetrant inspection has both  advantages and disadvantages. The primary advantages and disadvantages when  compared to other NDE methods are summarized below.  Primary Advantages · The method has high sensitive to small surface discontinuities. · The  method  has  few  material limitations,  i.e. metallic  and  nonmetallic,  magnetic  and  nonmagnetic,  and  conductive  and  nonconductive  materials  may  be  inspected. · 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. ­  28 ­ 

Primary Disadvantages · · · · · · · · ·

Only surface breaking defects can be detected. Only materials with a relative nonporous surface can be inspected. Precleaning is critical as contaminants can mask defects. Metal  smearing  from  machining,  grinding,  and  grit  or  vapor  blasting  must  be  removed prior to LPI. The inspector must have direct access to the surface being inspected. Surface finish and roughness can affect inspection sensitivity. Multiple process operations must be performed and controlled. Post cleaning of acceptable parts or materials is required. Chemical handling and proper disposal is require 

Chapter IV 

Magnetic Particle Inspection  Introduction:  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. ­  29 ­ 

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.

­  30 ­ 

If iron particles are sprinkled on a cracked magnet, the particles will be attracted to and  cluster not only at the poles at the ends of the magnet but also at the poles at the edges  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 ­  31 ­ 

which corresponded to the cracks in the surface. Applying a fine ferromagnetic powder  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  structures.  Magnetism  Magnets  are  very  common  items  in  the  workplace  and  household.  Uses  of  magnets  range from holding pictures on the refrigerator to causing torque in electric motors. The  term "magnetic field" simply describes a volume of space  where there is a change in  energy within that volume. This change in energy can be detected and measured. The  location where a magnetic field can be detected exiting or entering a material is called a  magnetic pole. Magnetic poles have never been detected in isolation but always occur  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.

­  32 ­ 

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  as a whole is zero. When a magnetizing force is applied, the domains become aligned  to produce a strong magnetic field within the part. Iron, nickel, and cobalt are examples  of ferromagnetic materials.  Magnetic Domains  Ferromagnetic materials get their magnetic properties because the material is made up  of small regions known as magnetic domains. In each domain, all of the atomic dipoles  are coupled together in a preferential direction. This alignment develops as the material  develops its crystalline structure during solidification from the molten state.

­  33 ­ 

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  cause any increase in its internal level of magnetization. 

Unmagnetized Material 

Magnetized Material 

Magnetic Field Characteristics  Magnetic lines of force have a number of important properties, which include: ·

· · · · ·

They seek the path of least resistance between opposite magnetic poles. In a  single bar magnet as shown to the right, they attempt to form closed loop from  pole to pole. They never cross one another. They all have the same strength. Their density decreases (they spread out) when they move from an area of  higher permeability to an area of lower permeability. Their density decreases with increasing distance from the poles. They are considered to have direction as if flowing, though no actual movement  occurs. They flow from the south pole to the north pole within the material and  north pole to south pole in air. 

Electromagnetic Fields

­  34 ­ 

In most conductors, the magnetic field exists only as long as the current is flowing 

the direction of the magnetic field is dependent on the direction of the electrical current  in  the  wire.  A  three­dimensional  representation  of  the  magnetic  field  is  shown  above.  There  is  a  simple  rule  for  remembering  the  direction  of  the  magnetic  field  around  a  conductor. It is called the right­hand rule. If a person grasps a conductor in ones right  hand  with  the  thumb  pointing  in  the  direction  of  the  current,  the  fingers  will  circle  the  conductor in the direction of the magnetic field. 

Magnetic Field Produced by a Coil  When a current carrying conductor is formed into a loop or several loops to form a coil,  a  magnetic  field  develops  that  flows  through  the  center  of  the  loop  or  coil  along  longitudinal  axis  and  circles  back  around  the  outside  of  the  loop  or  coil. The  magnetic  field circling each loop of wire combines with the fields from the other loops to produce a  concentrated field down the center of the coil. A loosely wound coil is illustrated below  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.

­  35 ­ 

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  ferromagnetic materials. 

The Hysteresis Loop and Magnetic Properties  A great deal of information can be learned about the magnetic properties of a material  by  studying  its  hysteresis  loop.  A  hysteresis  loop  shows  the  relationship  between  the  induced magnetic flux density B and the magnetizing force H. It is often referred to as  the B­H loop. An example hysteresis loop is shown below.

­  36 ­ 

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 ­  37 ­ 

zero brings the curve to point "e." It will have a level of residual magnetism equal to that  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  the magnetizing force did not reach the saturation level.  Coercive  Force  ­  The  amount  of  reverse  magnetic  field  which  must  be  applied  to  a  magnetic material to make the magnetic flux return to zero. (The value of H at point C  on the hysteresis curve.)  Permeability  ­ A property of a material that describes the ease with which a magnetic  flux is established in the component.  Reluctance ­ Is the opposition that a ferromagnetic material shows to the establishment  of a magnetic field. Reluctance is analogous to the resistance in an electrical circuit.  The shape of the hysteresis loop tells a great deal about the material being magnetized.  The hysteresis curves of two different materials are shown in the graph. 

Magnetic Field Orientation and Flaw Detectability  To  properly  inspect  a  component  for  cracks  or  other  defects,  it  is  important  to  understand  that  orientation  between  the  magnetic  lines  of  force  and  the  flaw  is  very  important. There are two general types of magnetic fields that can be established within  a component.

­  38 ­ 

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.

­  39 ­ 

Demagnetization  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 ­  40 ­ 

Permanent magnets are sometimes used for magnetic particle inspection as the source  of  magnetism.  The  two  primary  types  of  permanent  magnets  are  bar  magnets  and  horseshoe (yoke) magnets. These industrial magnets are usually very strong and may  require  significant  strength  to  remove  them  from  a  piece  of  metal.  Some  permanent  magnets require over 50 pounds of force to remove them from the surface. Because it is  difficult  to  remove  the  magnets  from  the  component  being  inspected,  and  sometimes  difficult  and  dangerous  to  place  the  magnets,  their  use  is  not  particularly  popular.  However, a diver for inspection in an underwater environment or other areas sometimes  uses permanent magnets, such as in an explosive environment, where electromagnets  cannot  be  used.  Permanent  magnets  can  also  be  made  small  enough  to  fit  into  tight  areas where electromagnets might not fit 

Electromagnets  Today, most of the equipment used to create the magnetic field used in MPI is based on  electromagnetism. That is, using an electrical current to produce the magnetic field. An  electromagnetic yoke is a very common piece of equipment that is used to establish a  magnetic field. It is basically made by wrapping an electrical coil around a piece of soft  ferromagnetic steel. A switch is included in the electrical circuit so that the current and,  therefore,  also  the  magnetic  field can  be  turn  on  and  off.  They  can  be  powered  with  alternating current from a wall socket or by direct current from a battery pack. This type  of magnet generates a 

very strong magnetic field in a local area where the poles of magnet touch the part to be  inspected. Some yokes can lift weights in excess of 40 pounds.

­  41 ­ 

Portable yoke with battery pack 

Portable magnetic particle kit

Prods  Prods  are  handheld electrodes  that  are  pressed  against  the  surface  of  the  component  being  inspected  to  make  contact  for  passing  electrical  current  through  the  metal.  The  current  passing  between  the  prods  creates  a  circular  magnetic  field  around  the  prods  that  is  can  be  used  in  magnetic  particle  inspection.  Prods  are  typically  made  from  copper and have an insulated handle to help protect the operator. One of the prods has  a  trigger  switch  so  that  the  current  can  be  quickly  and  easily  turned  on  and  off.  Sometimes the the two prods are connected by any insulator as shown in the image to  facilitate one hand operation. This is referred to as a dual prod and is commonly used  for weld inspections.  If  proper  contact  is  not  maintained  between  the  prods  and  the  component  surface,  electrical  arcing  can  occur  and  cause  damage  to  the  component.  For  this  reason,  the  use of prods are not allowed when inspecting aerospace and other critical components.  To help to prevent arcing, the prod tips should be  inspected  frequently  to  ensure  that  they  are  not  oxidized,  covered  with  scale  or  other  contaminant, or damaged.

­  42 ­ 

Portable Coils and Conductive Cables  Coils and conductive cables are used to establish a longitudinal magnetic field within a  component. When a preformed coil is used, the component is placed against the inside  surface on the coil. Coils typically have three or five turns of a copper cable within the  molded frame. A foot switch is often used to energize the coil. Conductive cables are  wrapped around the component. The cable used is typically 00 extra flexible or 0000  extra flexible. The number of wraps is determined by the magnetizing force needed and,  of course, the length of the cable. Normally the wraps are kept as close together as  possible. When using a coil or cable wrapped into a coil, amperage is usually expressed  in ampere­turns. Ampere­turns is the amperage shown on the amp meter times the  number of turns in the coil. 

Portable coil 

Conductive Cable

­  43 ­ 

central conductor.  This type of a setup is used to inspect parts that are hollow such as gears, tubes, and  other  ring­shaped  objects.  A  central  conductor  is  an  electrically  conductive  bar  that  is  usually  made  of  copper  or  aluminum.  The  bar  is  inserted  through  the  center  of  the  hollow  part  and  the  bar  is  then  clamped  between  the  contact  pads.  When  current  is  passed through the central conductor, a circular magnetic field flows around the bar and  enters into the part or parts being inspected. 

Lights for Magnetic Particle Inspection  Magnetic  particle  inspection  can  be  performed  using  particles  that  are  highly  visible  under  white  lighting  conditions  or  particles  that  are  highly  visible  under  ultraviolet  lighting  conditions.  When  an  inspection  is  being  performed  using  the  visible  color  contrast particles, no special lighting is required as long as the area of inspection is well  lit. A light intensity of at least 1000 lux (100 fc) is recommended when a visible particles  are used, but a variety of light sources can be used.  When  fluorescent  particles  are  used,  special  ultraviolet  light  must  be  used.  Fluorescence is  defined  as  the  property  of  emitting  radiation  as  a  result  of  and  during  exposure  to  radiation.  Particles  used  in  fluorescent  magnetic  particle  inspections  are  coated with a material that produces light in the visible spectrum  when exposed to the  near­ultraviolet  light.  This  "particle  glow"  provides  high  contrast  indications  on  the  component  anywhere  particles  collect.  Particles  that  fluoresce  yellow­green  are  most  common because this color matches the peak sensitivity of the human eye under dark  conditions.  However,  particles  that  fluoresce  red,  blue,  yellow,  and  green  colors  are  available.

­  44 ­ 

Ultraviolet Light  Ultraviolet light or "black light" is light in the 1,000 to 4,000 Angstroms (100 to 400 nm)  wavelength  range  in  the  electromagnetic  spectrum.  It  is  a  very  energetic  form  of  light  that  is  invisible  to  the  human  eye.  Wavelengths  above  4,000  Angstroms  fall  into  the  visible  light  spectrum  and  are  seen  as  the  color  violet.  UV  is  separated  according  to  wavelength  into  three  classes:  A,  B,  and  C.  The  shorter  the  wavelength,  the  more  energy that is carried in the light and the more dangerous it is to the human cells.  Class  UV­A  UV­B  UV­C 

Wavelength Range  3,200–4,000 Angstroms  2,800–3,200 Angstroms  2,800–1,000 Angstroms 

The  desired  wavelength  range  for  use  in  nondestructive  testing  is  between  3,500  and  3,800  Angstroms  with  a  peak  wavelength  at  about  3,650  A.  This  wavelength  range  is  used because it is in the UV­A range, which is the safest to work with. UV­B will do an  effective  job  of  causing  substances  to  fluoresce,  however,  it  should  not  be  used  because  harmful  effects  such  as  skin  burns,  and  eye  damage  can  occur.  This  wavelength  of  radiation  is  found  in  the  arc  created  during  the  welding  process.  UV­C  (1,000  to  2,800)  is  even  more  dangerous  to  living  cells  and  is  used  to  kill  bacteria  in  industrial and medical settings.  The desired wavelength range for use in NDT is obtained by filtering the ultraviolet light  generated  by  the  light  bulb.  The  output  of  a  UV  bulb  spans  a  wide  range  of  wavelengths. The short wave lengths of 3,120 A to 3,340 A are produced in low levels.  A peak wavelength of 3650 A is produced at a very high intensity. Wavelengths in the  visible  violet  range  (4050  A  to  4350  A),  green­yellow  (5460  A),  yellow  (6220  A)  and  orange (6770 A) are also usually produced. The filter allows only radiation in the range  of 3200 to 4000 angstroms and a little visible dark purple to pass.  Magnetic Particles  As mentioned previously, the particles that are used for magnetic particle inspection are  a key ingredient as they form the indications that alert the inspector to defects. Particles  start  out  as  tiny  milled  (a  machining  process)  pieces  of  iron  or  iron  oxide.  A  pigment  (somewhat like paint) is bonded to their surfaces to give the particles color. The metal  used for the particles has high magnetic permeability and low retentivity. High magnetic  permeability is important because it makes the particles attract easily to small magnetic  leakage  fields  from  discontinuities,  such  as  flaws.  Low  retentivity is important  because the particles themselves never become strongly magnetized so they do not stick to each  other or the surface of the part. Particles are available in a dry mix or a wet solution. 

Dry Magnetic Particles

­  45 ­ 

Dry magnetic particles can typically be purchased in red, black, gray, yellow and several  other  colors  so  that  a  high  level  of  contrast  between  the  particles  and  the  part  being  inspected  can  be  achieved.  The  size  of  the  magnetic  particles  is  also  very  important.  Dry  magnetic  particle  products  are  produced  to  include  a  range  of  particle  sizes.  The  fine  particles  are  around  50    m  (0.002  inch)  in  size  are  about  three  times  smaller  in  diameter  and  more  than  20  times  lighter  than  the  coarse  particles  (150    m  or  0.006  inch),  which  make  them  more  sensitive  to  the  leakage  fields  from  very  small  discontinuities.  However,  dry  testing  particles  cannot  be  made  exclusively  of  the  fine  particles. Coarser particles are needed to bridge large discontinuities and to reduce the  powder's  dusty  nature.  Additionally,  small  particles  easily  adhere  to  surface  contamination, such as remanent dirt or moisture, and get trapped in surface roughness  features  producing  a  high  level  of  background.  It  should  also  be  recognized  that  finer  particles  will  be  more  easily  blown  away  by  the  wind  and,  therefore,  windy  conditions  can  reduce  the  sensitivity  of  an  inspection.  Also,  reclaiming  the  dry  particles  is  not  recommended because the small particle are less likely to be recaptured and the "once  used" mix will result in less sensitive inspections. 

The  particle  shape  is  also  important.  Long,  slender  particles  tend  align  themselves  along  the  lines  of  magnetic  force.  However,  research  has  shown  that  if  dry  powder  consists  only  of  long,  slender  particles,  the  application  process  would  be  less  than  desirable. Elongated particles come from the dispenser in clumps and lack the ability to  flow  freely  and  form  the  desired  "cloud"  of  particles  floating  on  the  component.  Therefore,  globular  particles  are  added  that  are  shorter.  The  mix  of  globular  and  elongated particles result in a dry powder that flows well and maintain good sensitivity.  Most dry particle mixes have particle with L/D ratios between one and two. 

Wet Magnetic Particles  Magnetic particles are also supplied in a wet suspension such as water or oil. The wet  magnetic  particle  testing  method  is  generally  more  sensitive  than  the  dry  because  the  suspension provides the particles with more  mobility and makes it possible for smaller  particles  to  be  used  since  dust  and  adherence  to  surface  contamination is  reduced  or ­  46 ­ 

eliminated.  The  wet  method  also  makes  it  easy  to  apply  the  particles  uniformly  to  a  relatively large area.  Wet method magnetic particles products differ from dry powder products in a number of  ways.  One  way  is  that  both  visible  and  fluorescent  particle  are  available.  Most  nonfluorescent particles are ferromagnetic iron oxides, which are either black or brown  in color. Fluorescent particles are coated with pigments that fluoresce when exposed to  ultraviolet  light.  Particles  that  fluoresce  green­yellow  are  most  common  to  take  advantage of the peak color sensitivity of the eye but other fluorescent colors are also  available.  (For  more  information  on  the  color  sensitivity  of  the  eye,  see  the  penetrant  inspection material.) 

The particles used with the wet method are smaller in size than those used in the dry  method for the reasons mentioned above. The particles are typically 10   m (0.0004  inch) and smaller and the synthetic iron oxides have particle diameters around 0.1   m  (0.000004 inch). This very small size is a result of the process used to form the particles  and is not particularly desirable, as the particles are almost too fine to settle out of  suspension. However, due to their slight residual magnetism, the oxide particles are  present mostly in clusters that settle out of suspension much faster than the individual  particles. This makes it possible to see and measure the concentration of the particles  for process control purposes. Wet particles are also a mix of long slender and globular  particles. The carrier solutions can be water­ or oil­based. Water­based carriers form  quicker indications, are generally less expensive, present little or no fire hazard, give off  no petrochemical fumes, and are easier to clean from the part. Water­based solutions  are usually formulated with a corrosion inhibitor to offer some corrosion protection.  However, oil­based carrier solutions offer superior corrosion and hydrogen  embrittlement protection to those materials that are prone to attack by these  mechanisms. 

Chapter IV ­  47 ­ 

Ultrasonic Testing  Basic Principles of Ultrasonic Testing  Ultrasonic Testing (UT) uses high frequency sound energy to conduct examinations and  make  measurements.  Ultrasonic  inspection  can  be  used  for  flaw  detection/evaluation,  dimensional measurements, material characterization, and more.  The  sound  energy  is  introduced  and  propagates  through  the  materials  in  the  form  of  waves.  When  there  is  a  discontinuity  (such  as  a  crack)  in  the  wave  path,  part  of  the  energy  will  be  reflected  back  from  the  flaw  surface.  The  reflected  wave  signal  is  transformed into electrical signal by the transducer and is displayed on a screen. 

Probe

Initial  pulse 

Crack  echo 

Back surface  echo 

Plate  0 

2 

4 

6 

8 

Crack 

10 

SCREEN 

Ultrasonic  Inspection  is  a  very  useful  and  versatile  NDT  method  for  detecting  both  surface  and  subsurface  volumetric  defects  and  is  widely  used  in  pipeline,  oil  and  gas  and processing industry. 

Oscilloscope, or flaw  detector screen 

­  48 ­ 

Sound  Spectrum

Audible  range  Ultrasonic testing range 

20 kHz 

16Hz 

256 Hz 

200 kHz 

15 MHz 

1­5 MHz 

70 kHz 

Usual steel testing  range  Advantages of Ultrasonic Inspection  Some of the advantages of ultrasonic inspection that are often cited include: · · · · · · · ·

It is sensitive to both surface and subsurface discontinuities. The depth of penetration for flaw detection or measurement is superior to  other NDT methods. Only  single­sided  access  is  needed  when  the  pulse­echo  technique  is  used. It is high accuracy in determining reflector position and estimating size and  shape. Minimal part preparation required. Electronic equipment provides instantaneous results. Detailed images can be produced with automated systems. It  has  other  uses  such  as  thickness  measurements,  in  addition  to  flaw  detection. 

Disadvantages of Ultrasonic Inspection  As  with  all  NDT  methods,  ultrasonic  inspection  also  has  its  limitations,  which  include:  ­  49 ­ 

· · · · · · ·

Surface must be accessible to transmit ultrasound. Skill and training is more extensive than with some other methods. It  normally  requires  a  coupling  medium  to  promote  transfer  of  sound  energy into test specimen. Materials that are rough, irregular in shape, very small, exceptionally thin  or not homogeneous are difficult to inspect. Cast iron and other coarse grained materials are difficult to inspect due to  low sound transmission and high signal noise. Linear defects oriented parallel to the sound beam may go undetected. Reference  standards  are  required  for  both  equipment  calibration,  and  characterization of flaws. 

Properties of sound wave  Wave Propagation  Ultrasonic  testing  is  based  on  time­varying  deformations  or  vibrations  in  materials, which is generally referred to as acoustics. All material substances are  comprised  of  atoms,  which  may  be  forced  into  vibrational  motion  about  their  equilibrium positions.  In solids, sound waves can propagate in four principle modes that are based on  the way the particles oscillate. Sound can propagate as longitudinal waves, shear  waves,  surface  waves,  and  in  thin  materials  as  plate  waves.  Longitudinal  and  shear  waves  are  the  two  modes  of  propagation  most  widely  used  in  ultrasonic  testing.  The  particle  movement  responsible  for  the  propagation  of  longitudinal  and shear waves is illustrated below. 

Longitudinal waves:  In  longitudinal  waves  the  oscillations  occur  in  the  longitudinal  direction  of  the  direction  of  wave  propagation.  Since  compressional  forces  are  active  in  these  waves,  they  are  also  called  compressional  waves.  Compression  waves  can  be

­ 50 ­ 

generated  in  liquids,  as  well  as  solids  because  the  energy  travels  through  the  atomic  structure  by  a  series  of  comparison  and  expansion  (rarefaction)  movements.  Transverse or shear wave:  In  the  transverse  or  shear  wave,  the  particles  oscillate  at  a  right  angle  or  transverse  to  the  direction  of  propagation.  Shear  waves require an acoustically  solid  material  for  effective  propagation  and,  therefore,  are  not  effectively  propagated  in  materials  such  as  liquids  or  gasses.  Shear  waves  are  relatively  weak when compared to longitudinal waves  Surface or Rayleigh waves :  Surface or Rayleigh waves travel on the surface of a relative thick solid material  penetrating to a depth of one wavelength. The particle movement has an elliptical  orbit.    Raleigh  waves  are  useful  because  they  are  very  sensitive  to  surface  defects  and  since  they  will  follow  the  surface  around  curves,  therefore  can  be  used to inspect areas that other waves might have difficulty in reaching.  Plate waves:  Plate  waves  can  be  propagated  only  in  very  thin  metals.  Lamb  waves  are  the  most commonly used plate waves in NDT. Lamb waves are a complex vibrational  wave that travels through the entire thickness of a material. Propagation of Lamb  waves depends on density, elastic, and material properties of a component, and  they are influenced by a great deal by selected frequency and material thickness.  Velocity: How quickly a sound wave will travel  Frequency: How many vibrations per second  Wave length:  How  far  a  sound  wave  will  advance in completing one cycle The wavelength is  directly proportional to the velocity of the wave and inversely proportional to the  frequency of the wave. This relationship is shown by the following equation. 

­  51 ­  1 Second 

1 Second 

A change in frequency will result in a change in wavelength. In ultrasonic testing,  the  shorter  wavelength  resulting  from  an  increase  in  frequency  will  help  in  the  detection of smaller discontinuities.  Sensitivity:  Sensitivity  is  the  ability  to  locate  small  discontinuities.  Sensitivity  generally  increases with higher frequency (shorter wavelengths).  Resolution:  Resolution  is  the  ability  of  the  system  to  locate  discontinuities  that  are  close  together  within  the  material  or  located  near  the  part  surface.  Resolution  also  generally increases as the frequency increases.  Velocity of sound traveling through materials:  Velocity of sound varies with the material in which it is traveling. Material

Compression

Shear Velocity

Velocity m\sec

m\sec

Steel

5960

3245

Water

1490

NA

Air

344

NA

Copper

4700

2330 

Attenuation of Sound Waves  When  sound  travels  through  a  medium,  its  intensity  diminishes  with  distance.  This  weakening  results  from  two  basic  causes,  which  are  scattering  and  absorption.  The  combined  effect  of  scattering  and  absorption  is  called  attenuation.

­  52 ­ 

Refraction and Snell's Law  When an ultrasound wave passes through an interface between two materials, it  produces  both  reflected  and  refracted  waves.  Refraction  takes  place  at  an  interface  due  to  the  different  velocities  of  the  acoustic  waves  within  the  two  materials.  The  velocity  of  sound  in  each  material  is  determined  by  the  material  properties (elastic modules and density) for that material.  Snell's  Law  describes  the  relationship between the angles and the velocities of  the  waves.  Snell's  law  equates  the  ratio  of  material  velocities  v1  and  v2  to  the  ratio  of  the  sine's  of  incident  (  )  and  refraction  (    )  angles,  as  shown  in  the  following equation.

Where: VL1 is the longitudinal wave velocity in material 1. VL2 is the longitudinal wave velocity in material 2. 

Ultrasonic Probes  The conversion of electrical pulses to mechanical vibrations and the conversion  of  returned  mechanical  vibrations  back  into  electrical  energy  is  the  basis  for

­  53 ­ 

ultrasonic  testing.  The  active  element  is  the  Probe.  It  converts  the  electrical  energy to acoustic energy, and vice versa.  Characteristics of Probes  The probe is a very important part of the ultrasonic instrumentation system. The  probe converts electrical signals into mechanical vibrations (transmit mode) and  mechanical  vibrations  into  electrical  signals  (receive  mode).  Many  factors,  including  material,  mechanical  and  electrical  construction,  and  the  external  mechanical  and  electrical  load  conditions,  influence  the  behavior  a  transducer.  Mechanical  construction  includes  parameters  such  as  radiation  surface  area,  mechanical damping, housing, connector  type 

. 

Types of Probes

­  54 ­ 

Ultrasonic transducers are manufactured for a variety of application and can be  custom  fabricated  when  necessary.  Careful  attention  must  be  paid  to  selecting  the  proper  transducer  for  the  application  It  is  important  to  choose  transducers  that have the desired frequency, bandwidth, and focusing to optimize inspection  capability.  Most  often  the  transducer  is  chosen  either  to  enhance  sensitivity  or  resolution of the system. 

Transducers are classified into groups according to the application. ·

Contact  transducers  are  used  for  direct  contact  inspections,  and  are  generally  hand  manipulated.  They  have  elements  protected  in  a  rugged  casing  to  withstand  sliding  contact  with  a  variety  of  materials.  These  transducers are designed so that they are easy to grip and move along a  surface.  They  also  often  have  replaceable  wear  plates  to  lengthen  their  useful  life.  Coupling  materials  of  water,  grease,  oils,  or  commercial  materials are used to remove the air gap between the transducer and the  component inspected. Contact probes are classified as.

· · · ·

Single crystal probe Twin crystal probe Normal beam or zero degree probe Angle beam probe

­  55 ­ 

Contact transducers are available in a variety of configurations to improve their  usefulness for a variety of applications.  Single crystal probe normal probe:  The  flat  contact  transducer  shown  above  is  used  normal  beam  inspections  of  relatively  flat  surfaces,  and  where  near  surface  resolution  is  not  critical.  If  the  surface is curved, a shoe that matches the curvature of the part may need to be  added to the face of the transducer. 

Twin crystal normal probe:  contain  two  independently  operating  elements  in  a  single  housing.  One  of  the  elements  transmits  and  the  other  receives.  Active  elements  can  be  chosen  for  their  sending  and  receiving  capabilities  providing  a  transducer  with  a  cleaner  signal,  and  transducers  for  special  applications,  such  as  inspection  of  course  grain  material.  Dual  element  transducers  are  especially  well  suited  for  making  measurements  in  applications  where  reflectors  are  very  near  the  transducer  since this design eliminates the ring down effect that single­element transducers  experience.  (When  single­element  transducers  are  operating  in  pulse  echo  mode, the element can not start receiving reflected signals until the element has  stopped  ringing  from  it  transmit  function.)  Dual  element  transducers  are  very  useful  when  making  thickness  measurements  of  thin  materials  and  when  inspecting for near surface defects. The two elements are angled towards each  other to create a crossed­beam sound path in the test material.  Angle beam transducers:  Angle beams are typically used to introduce a refracted shear wave into the test  material.In the fixed angle versions, the angle of refraction that is marked on the  transducer  is  only  accurate for a particular material, which is usually steel. The  angled sound path allows the sound beam to be reflected from the back wall to  improve detectability of flaws in and around welded areas. They are also used to  generate  surface  waves  for  use  in  detecting  defects  on  the  surface  of  a  component.

­  56 ­ 

Couplant  A  couplant  is  a  material  (usually  liquid)  that  facilitates  the  transmission  of  ultrasonic  energy  from  the  transducer  into  the  test  specimen.  Couplant  is  generally necessary because the acoustic impedance mismatch between air and  solids 

Calibration Blocks  Standard  blocks  are  used  to  calibrate  the  instrument  and  to  calculate  different  features  of probe and the instrument. These blocks consists accurately cut and  fine polished surfaces, holes ,angles etc.

­  57 ­ 

Inspection of  Welded Joints  The  most  commonly  occurring  defects  in  welded  joints  are  porosity,  slag  inclusions,  lack  of  side­wall  fusion,  lack  of  inter­run  fusion,  lack  of  root  penetration, undercutting, and longitudinal or transverse cracks.  Ultrasonic weld inspections are typically performed using a straight beam probe  in  conjunction  with  an  angle  beam  probe  A  straight  beam  probe,  producing  a  longitudinal  wave  at  normal  incidence  into  the  test  piece,  is  first  used  to  locate  any laminations in or near the heat­affected zone. This is important because an  angle beam transducer may not be able to provide a return signal from a laminar  flaw.

­  58 ­ 

Chapter VI 

RADIORGAPHIC TESTING

­  59 ­ 

Introduction:  In  this  method  of  Non­destructive  testing  the  penetration  property  of  X­ray  and  Gamma  rays  to  detect  the  discontinuities.  The  object  to  be  inspected  is  placed  between  the  radiation  source  and  a  piece  of  film.  X­rays  or  gamma  rays  pass  through the object. The object will stop some of the radiation. Thicker and denser  area  will  stop  more  of  the  radiation  and  show  on  the  film  lighter  than  thinner  or  less  dense  area.  Most  weld  defects  will  show  on  the  film  darker  than  the  surrounding area.  Nature of Penetrating Radiation  X­rays  and  gamma  rays  are  part  of  the  electromagnetic  spectrum.  They  are  waveforms as are light rays, microwaves, and radio wave, but x­rays and gamma  rays cannot been seen, felt, or heard. They possess no charge and no mass and,  therefore,  are  not  influenced  by  electrical  and  magnetic  fields  and  will  always  travel in straight lines. They can be characterized by frequency, wavelength, and  velocity 

The Electromagnetic Spectrum

­  60 ­ 

The International System (SI) unit for activity is the Becquerel (Bq), w 

Wavelengths of Electro Magnetic Spectrum 

Electro Magnetic Radiation Type 

Wave length in nm 

Visible Light 

700-400

Ultraviolet light

400-100

X-Rays Gamma -Rays 

1 nm =10­9 Meters 

Advantage of Radiography 

1.Gives a permanent record  2.Detects internal Flaws  3.Detects volumetric flaws readily  4.Can be used on most materials  5.Can check for correct assembly

­  61 ­ 

6.Gives direct Images  7.Real time Image is possible  Disadvantages of Radiography  1­Radiation Health  2­Can be sensitive to defect orientation and could miss planar flaws  3­Has limited ability to detect fine cracks  4­Access is required to both sides of the object  5­Limited thickness of the material can be penetrated  6­Skilled radiographic interpretation is required  7­Require high capital cost  8­Relatively slow process  9­Require high capital cost  10­Require high running cost  Properties of X­rays and gamma rays  1.They have no effect on the human senses  2.They have adverse effect on the body tissues and blood  3.They penetrate matter  4.They move in straight line  5.They are part of electromagnetic spectrum  6.They travel at the speed of light  7.They obey the inverse square law  8.They ionize gases  9.They may be scattered  10.They make certain materials fluoresce  11.They may be refracted, diffracted and polarized 

X­ray Tube  High Electrical Potential  Electrons 

+ 

­  X­ray Generator or Radioactive Source  Creates Radiation 

­  62 ­  Exposure Recording Device 

Radiation  Penetrate  the Sample

Properties of X­rays  1. Potential difference of around 300 kv is used  2. Approximately around 97­ 99% heat & 1­3 % of x­ rays are  generated  3. Anode is made up of cupper to carry out the heat. Additional  cooling using oil,  air or water is also used  4­ Target is made up of tungsten  5.  Area of the target struck by the electrons is called as focal spot  6.  Focal spot size should be big to absorb more heat but to produce  good quality radiograph this size should be the smallest  7.  Important control points of the x­ray machine are timer, Amperage  control and Voltage control  8.  More time more radiation more exposure  9.  Amperage controls the intensity or quality of X­ray, 6­12 Amp are usually used  10.More voltage generates the shorter wave length or quality of x­  rays more  penetrating power  11.Increase in voltage increases the speed of the electrons, therefore  high kinetic energy and high penetration 

Gamma­rays:  Gamma­rays  are  electromagnetic  radiation  emitted  by  the  disintegration  of  a  radioactive isotope and have energy from about 100 keV to well over 1 MeV. The  most  useful  gamma­emitting  radioactive  isotopes  for  radiological  purposes  are  found to be cobalt (Co60),iridium (Ir192),cesium (Cs137),ytterbium (Yb169), and  thulium (Tm170).

­  63 ­ 

Properties of Gamma­rays  1.Gamma rays are emitted from artificial radio active isotope  2.Radio active isotope is an unstable state of element which has different number  of neutrons to the normal state of the same element  3.The mass number of Radio active Isotope will be different from same element  4.The radio active isotope disintegrate continuously releasing electromagnetic  energy (gamma rays)  5­Gamma ray sources are  usually disc,cylindrical or spherical  shape  6­The discs: 3.0 mm diameter and 1 mm thick, stacked together  7­Cylindrical: Typically upto 4 mm in length  8­Spherical: 0.6 – 3.0 mm diameter  9­Sources are encapsulated in the capsules of 316 \ S12 grade Stainless steel  Isotope Decay Rate (Decay of the Gamma Source)  Loss of activity of a radioactive nuclease due to Disintegration 

Half Life of Gamma source:  Time taken for a radio active Isotope to reduce its out put by half  Source 

Half­life 

60Cobalt 

26 Years 

192Iridium 

74 days 

Ytterbium 169 

31 days 

Penetration range  steel  75­ 150 mm  20 – 45 mm  ­  64  ­  1­15 mm

Advantages of Gamma rays over X­rays  1.No electrical or water supply are needed  2.Gamma equipment is usually smaller and lighter and therefore more portable  3.The equipment is more simple  4.Places inaccessible to x­ray equipment are accessible to gamma equipment  5.Because of high energy there is less scatter  6.Gamma equipment is less expensive than x­ray equipment  7.Greater penetrating power than x­rays  Disadvantages of gamma rays over x­rays  1.Due to the higher energy, poorer contrast and definition  2.Exposure times are longer  3.Sources need replacing at regular intervals  4.The radiation cannot be switched off  5.SFD is shorter, resulting in poorer geometric unsharpness  6.Remote handling is necessary 

Radiographic Techniques  1)  2)  3)  4) 

SWSI : ( Film Inside Source Outside )  SWSI : ( Film Outside Source Inside )  DWSI : ( Film Outside Source Outside )  DWDI : (Film Outside Source Outside

­  65 ­ 

Radiographic Contrast 

Radiographic  contrast  describes  the  differences  in  photographic  density  in  a  radiograph. The contrast between different parts of the image is what forms the  image  and  the  greater  the  contrast,  the  more  visible  features  become.  Radiographic contrast has two main contributors: subject contrast and detector or  film contrast.  Subject contrast is determined by the following variables:  ­ Absorption differences in the specimen  ­ Wavelength of the primary radiation  ­ Scatter or secondary radiation  Film contrast is determined by the following:  ­ Grain size or type of film  ­ Chemistry of film processing chemicals  ­ Concentrations of film processing chemicals  ­ Time of development  ­ Temperature of development  ­ Degree of mechanical agitation (physical motion) 

Exposing the film to produce higher film densities will generally increase contrast.  In  other  words,  darker  areas  will  increase  in  density  faster  than  lighter  areas  because in any given period of time more x­rays are reaching the darker areas.  Reasons for low contrast  Radiation wave length too short  Over exposure  Prolonged development  Too cold developer

­  66 ­ 

Insufficient fixing  Fog on the film  Reasons for High contrast  Radiation wave length too long  Incorrect developer  Under exposure  Definition 

Radiographic definition is the abruptness of change in going from one density to  another. There are a number of geometric factors of the X­ray equipment and the  radiographic  setup  that  have  an  effect  on  definition.  These  geometric  factors  include:  ­ Focal spot size, which is the area of origin of the radiation.The focal spot size  should be as close to a point source as possible to produce the most definition.  ­  Source  to  film  distance,  which  is  the  distance  from  the  source  to  the  part.  Definition  increases  as  the  source  to  film  distance  increase.  ­  Specimen  to  detector  (film)  distance,  which  is  the  distance  between  the  specimen  and  the  detector.  For  optimal  definition,  the  specimen  and  detector  should  be  as  close  together  as  possible.  .  ­ Abrupt changes in specimen thickness may cause distortion on the radiograph.  ­  Movement  of  the  specimen  during  the  exposure  will  produce  distortion  on  the  radiograph.  ­ Film graininess, and screen mottling will decrease definition. 

The grain size of the film  will affect the definition of the radiograph. Wavelength  of  the  radiation  will  influence  apparent  graininess.  As  the  wavelength  shortens  and penetration increases, the apparent graininess of the film will increase. Also,  increased  development  of  the  film  will  increase  the  apparent  graininess  of  the  radiograph.  Radiographic Density

­  67 ­ 

Degree  of  blackening  of  a  radiograph.  Density  is  measured  by  a  densitometer.High  density  area  is  a  dark  area    and  low  density  area  is  a  light  area. A high density area absorbs more light than the low density area  Density is the log of the intensity of light incident on the film to the intensity of  light transmitted through the film. A density reading of 2.0  is the result of only 1  percent of the transmitted light reaching the sensor.  Density required in the area of interest should be between 1.5 and  2.5.Radiographs with very low density  and with very high density are not  acceptable.  Reasons for low density  • Under exposure to radiation  • Insufficient development time  • Development temperature too low  • Incorrect developer  Reasons for Excessive density  . Over exposure to Radiation  • Excessive development time  • Development temperature  too high  • Incorrect Developer  sensitivity  The ability of the radiographic technique to detect the smallest possible  defect.Sensitivity is measured by using Image Quality Indicators ( IQI ),also  called as Penetrameters. Sensitivity depends on Radiographic contrast and  Density.  Controlling Radiographic Quality  One of the methods of controlling the quality of a radiograph is through the use of  image quality indicators (IQI). IQIs provide a means of visually informing the film  interpreter  of  the  contrast  sensitivity  and  definition  of  the  radiograph.  The  IQI  indicates that a specified amount of material thickness change will be detectable 

in the radiograph, and that the radiograph has a certain level of definition so that  the density changes are not lost due to unsharpness. Without such a reference  point,  consistency  and  quality  could  not  be  maintained  and  defects  could  go  undetected.  Image quality indicators take many shapes and forms due to the various codes or  standards that invoke their use. In the United States two IQI styles are prevalent;  the  placard,  or  hole­type  and  the  wire  IQI.  IQIs  comes  in  a  variety  of  material

­  68 ­ 

types so that one with radiation absorption characteristics similar to the material  being radiographed can be used. 

Hole­Type IQIs  ASTM  Standard  E1025  gives  detailed  requirements  for  the  design  and  material  group classification of hole­type image quality indicators. E1025 designates eight  groups  of  shims  based  on  their  radiation  absorption  characteristics.  A  notching  system is incorporated into the requirements allowing the radiographer to easily  determine  if  the  penetrameter  is  the  correct  material  type  for  the  product.  The  thickness in thousands of an inch is noted on each pentameter by a lead number  0.250  to  0.375  inch  wide  depending  on  the  thickness  of  the  shim.  Military  or  Government  standards  require  a  similar  penetrameter  but  use  lead  letters  to  indicate the material type rather than notching system as shown on the left in the  image above.  Image quality levels are typically designated using a two part expression such as  2­2T. The first term refers to the IQI thickness expressed as a percentage of the  region of interest of the part being inspected. The second term in the expression  refers to the diameter of the hole that must be revealed and it is expressed as a  multiple of the IQI thickness. Therefore, a 2­2T call­out would mean that the shim  thickness  should  be  two  percent  of  material  thickness  and  that  a  hole  that  is  twice the IQI thickness must be detectable on the radiograph. This presentation  of a 2­2T IQI in the radiograph verifies that the radiographic technique is capable  of showing a material loss of 2% in the area of interest. 

It  should  be  noted  that  even  if  2­2T  sensitivity  is  indicated  on  a  radiograph,  a  defect  of  the  same  diameter  and  material  loss  may  not  be  visible.  The  holes in  the  penetrameter  represent  sharp  boundaries,  and  a  small  thickness  change.  Discontinues  within  the  part  may  contain  gradual  changes,  and  are  often  less  visible. The penetrameter is used to indicate quality of the radiographic technique  and not intended to be used as a measure of size of cavity that can be located on  the radiograph.

­  69 ­ 

Wire­Type IQIs 

ASTM  Standard  E747  covers  the  radiographic  examination  of  materials  using  wire  penetrameters  (IQIs)  to  control image  quality. Wire  IQIs  consist  of  a  set of  six wires arranged in order of increasing diameter and encapsulated between two  sheets of clear plastic. E747 specifies four wire IQIs sets, which control the wire  diameters. The set letter (A, B, C or D) is shown in the lower right corner of the  IQI. The number in the lower left corner indicates the material group. The same  image  quality  levels  and  expressions  (i.e.  2­2T)  used  for  hole­type  IQIs  are  typically also used for wire IQIs. The wire sizes that correspond to various hole­  type quality levels can be found in a table in E747 F = 0.79 (constant form factor  forwire)  Placement of IQIs  IQIs should be placed on the source side of the part over a section with a  material thickness equivalent to the region of interest. If this is not possible, the  IQI may be placed on a block of similar material and thickness to the region of  interest. When a block is used, the IQI should the same distance from the film as  it would be if placed directly on the part in the region of interest. The IQI should  also be placed slightly away from the edge of the part so that atleast three of its  edges are visible in the radiograph. 

Secondary (Scatter) Radiation  Secondary or scatter radiation must often be taken into consideration when  producing a radiograph. The scattered radiation create a loss of contrast and  definition. Often secondary radiation is thought of as radiation striking the film ­  70 ­ 

reflected from an object in the immediate area, such as a wall, or from the table  or floor where the part is resting. Side scatter originates from walls, or objects on  the source side of the film. Control of side scatter can be achieved by moving  objects in the room away from the film, moving the x­ray tube to the center of the  vault, or placing a collimator at the exit port thus reducing the diverging radiation  surrounding the central beam.  It is often called backscatter when it comes from objects behind the film. Industry  codes and standards often require that a lead letter "B" be placed on the back of  the cassette to verify the control of back scatter. If the letter "B" shows as a  "ghost" image on the film the letter has absorbed the back scatter radiation  indicating a significant amount of radiation reaching the film. Control of back  scatter radiation is achieved by backing the film in the cassette with sheets of  lead typically 0.010 inch thick. It is a common practice in industry to place 0.005  lead screen in front and 0.010 backing the film. 

Lead screens in the thickness range of 0.004 to 0.015 inch typically reduce  scatter radiation at energy levels below 150, 000 volts. Above this point they will  emit electrons to provide more exposure of the film to ionizing radiation thus  increasing the density of the radiograph.  Undercut  Another condition that must often be controlled when producing a radiograph is  called undercut. Parts with holes, hollow areas, or abrupt thickness changes are

­  71 ­ 

likely to suffer from undercut if controls are not put in place. Undercut appears as  lightening of the radiograph in the area of the thickness transition. This results in  a loss of resolution or blurring at the transition area. 

Undercut occurs due to scattering within the film. At the edges of a part or areas  where the part transitions from thick to thin, the intensity of the radiation reaching  the film is much greater than in the thicker areas of the part. The high level of  radiation intensity reaching the film results in a high level of scattering within the  film. It should also be noted that the faster the film speed, the more undercut that  is likely to occur. Scattering from within the walls of the part also contributed  some to undercut but research has shown that scattering within the film is the  primary cause. Masks are used to control undercut. Sheets of lead cut to fill  holes or surround the part and metallic shot and liquid absorbers are often used  as masks.  Filters in Radiography  At x­ray energies, filters consist of material placed in the useful beam to absorb,  preferentially, radiations based on energy level or to modify the spatial  distribution of the beam. Filtration is required to absorb the lower­energy x­ray  photons emitted by the tube before they reach the target. The use of filters  produce a cleaner image by absorbing the lower energy x­ray photons that tend  to scatter more. 

Radiographic Film

­  72 ­ 

X­ray  films  for  general  radiography  consist  of  an  emulsion­gelatin  containing  a  radiation  sensitive  silver  halide  and  a  flexible,  transparent,  blue­tinted  base.  Usually, the emulsion is coated on both sides of the base in layers about 0.0005  inch  thick.  Putting  emulsion  on  both  sides  of  the  base  doubles  the  amount  of  radiation­sensitive silver halide, and thus increases the film speed. The emulsion  layers are thin enough so developing, fixing, and drying can be accomplished in  a reasonable time.  Film Selection  The selection of a film when radiographing any particular component depends on  a number of different factors. Listed below are some of the factors that must be  considered when selected a film and developing a radiographic technique.  1.  the composition, shape, and size of the part being examined and, in some  cases, its weight and location.  2.  the type of radiation used, whether x­rays from an x­ray generator or  gamma rays from a radioactive source.  3.  the kilovoltages available with the x­ray equipment or the intensity of the  gamma radiation.  4.  the relative importance of high radiographic detail or quick and economical  results. 

Film Processing  Processing  film  is  a  strict  science  governed  by  rigid  rules  of  chemical  concentration, temperature, time, and physical movement. Whether processing is  done  by  hand  or  automatically  by  machine,  excellent  radiographs  require  the  highest possible degree of consistency and quality control.

­  73 ­ 

Manual Processing & Darkrooms  Manual processing  begins  with  the  darkroom.  An  area  dry  and free  of  dust  and  dirt should be used to load and unload the film. While another area, the wet side,  will  be  used  to  process  the  film.  Thus  protecting  the  film  from  any  water  or  chemicals that may be located on the surface of the wet side.  Each  of  step  in  film  processing  must  be  excited  properly  to  develop  the image,  wash out residual processing chemicals, and to provide adequate shelf life of the  radiograph.A radiograph may be retrieved after 5 or even 20 years in storage.  Viewing Radiographs  Radiographs (developed film exposed to x­ray or gamma radiation) are generally  viewed  on  a  light­box.  Proper  viewing  conditions  are  very  important  when  interpreting  a  radiograph.  The  viewing  conditions  can  enhance  or  degrade  the  subtle details of radiographs.  Before beginning the evaluation of a radiograph, the viewing equipment and area  should be considered. The area should be clean and free of distracting materials.  Magnifying  aids,  masking  aids,  and  film  markers  should  be  close  at  hand.  Thin  cotton  gloves  should  be  available  and  worn  to  prevent  fingerprints  on  the  radiograph. Ambient light levels should be low. Ambient light levels of less than 2  fc  are  often  recommended,  but  subdued  lighting,  rather  than  total  darkness,  is  preferable  in  the  viewing  room.  The  brightness  of  the  surroundings  should  be  about the same as the area of interest in the radiograph. Room illumination must  be  arranged  so  that  there  are  no  reflections  from  the  surface  of  the  film  under  examination.  Film viewers should be clean and in good working condition.Film viewers should  provide  a  source  of  defused,  adjustable,  and  relativity  cool  light  as  heat  from  viewers can cause distortion of the radiograph. A film having a measured density  of 2.0 will allow only 1.0 percent of the incident light to pass. A film containing a  density of 4.0 will allow only 0.01 percent of the incident light to pass. With such  low  levels  of  light  passing  through  the  radiograph  the  delivery  of  a  good  light  source is important. 

Radiographic film quality and acceptability, as required by the procedure, should  first be determined. It should be verified that the radiograph was produced to the  correct  density  on  the  required  film  type,  and  that  it  contains  the  correct  identification information. It should also be verified that the proper image quality  indicator was used and that the required sensitivity level was met. Next, the

­  74 ­ 

radiograph should be checked to ensure that it does not contain processing and  handling artifacts that could mask discontinuities or other details of interest.  Once  a  radiograph  passes  these  initial  checks  it  is  ready  for  interpretation.  Radiographic film interpretation is an acquired skill combining, visual acuity with  knowledge  of  materials,  manufacturing  processes,  and  their  associated  discontinues. If the component is inspected while in service, an understanding of  applied loads and history of the component is helpful.  A process for viewing radiographs, left to right top to bottom etc., is helpful and  will prevent overlooking an area on the radiograph. One part of the interpretation  process, sometimes overlooked, is rest. The mind as  well as the eyes needs to  occasionally rest when interpreting radiographs.  When  viewing  a  particular  region  of  interest,  techniques  such  as  using  a  small  light source and moving the radiograph over the small light source, or changing  the  intensity  of  the  light  source  will  help  the  radiographer  identify  relevant  indications.  Magnifying  tools  should  also  be  used  when  appropriate  to  help  identify and evaluate indications. Viewing the actual component being inspected  is  very  often  helpful  in  developing  an  understanding  of  the  details  seen  in  a  radiograph.  Interpretation of radiographs is an acquired skill that is perfected over time. By  using the proper equipment and developing consistent evaluation processes, the  interpreter will increase his or her probability of detecting defects.  Spurious Indications on the films or  ( Artefacts )  Spurious Indications are caused by incorrect processing or careless handling of  the film  The common artefacts are  1­  Radiation Fogging: This occurs when the film is  stored too close to a source  of radiation or when the   film is accidentally  left in the exposure area during  the exposure of another film 

2­  Light Fog:  Due to the storage of the film in a faulty  storage storage box  where white light is leaks into  the film  OR due to the wrong type of safe light  in  the  dark room

­  75 ­ 

3­ Pressure Markings: Due to careless handling of the film during  loading and  unloading of the  film  4­ Static Marks:This has the appearance of the dark  branched and  jagged  fine  lines. It is due to rapid removal of the film from the wrapper  5 ­ Scratch Marks: Usually caused by a finger nail or abrasive material on the  screens or during  handling  6­ High or Low Density Marks: Caused when handling the films with greasy or  chemically – stained fingers  7­ Low density Patches or smears : Due to splashes of water or fixing solution on  the film  8­ High density Patches or smears : Due to splashes of Developer on the film  9­ Film Mottle: Due to the use of old films  10­ Light Spots: Caused by dust particles between  the film and the intensifying  Screen  11­ Screen Marks: Due to contamination of the intensifying screens with  chemicals OR  due to  the defects on the screen such as cracking or  buckling  12­Air bells: These are shown discs of lower density caused by air traped on the  surface of the emulsion,  due to insufficient agitation  13­ Patches or Streaks: Due to insufficient agitation during developer or in the  rinse bath  14­ Reticulation:This is the appearance of leather grain and due to rupture of the  emulsion caused by great  differences between succesive processing  solutions  15­ Drying Marks: Due to drops of water remaining on the surface of the film,  often occur due to rapid  drying the film in the high temperature cabinet. 

Chapter VII 

Eddy Current Testing  Introduction ­  76 ­ 

A  varying  electric  current  flowing  in  a  coil  gives  rise  to  a  varying  magnetic  field.  A  nearby conductor resists this magnetic field and this produces an eddy current flowing in  the surface layer of the conductor and flowing in the direction opposite to the current in  the coil.  An  induced  eddy  current  in  a  conductor  produces  a  magnetic  field  that  opposes  the  magnetic  field  produced  by  the  coil,  resulting  in  a  change  of  impedance.  It  is  this  impedance change that is to be detected with a high degree of accuracy by the measuring  equipment.  Cracks and other surface conditions modify the eddy currents generated in the conductor  and  give  rise  to  a  local  brief  change  in  the  impedance.  This  change  is  accurately  monitored.  Eddy currents always flow parallel to the plane of the winding of the test coil producing  them ,A discontinuity parallel to the eddy current can be missed by this method  Basic Principle

Coil's  Coil 

magnetic field 

Eddy current's  magnetic field  Eddy  currents  Conductive  Material 

Eddy current testing method can be successfully used to detects surface breaking and  near surface discontinuities such as ·  Cracks 

­  77 ­ 

·  ·  ·  · 

Inclusions Dents Holes Scratches 

Eddy current testing method can also identify the material properties such as ·  Alloy composition ·  Heat treatment ·  Hardness ·  Grain size ·  Magnetic Permeability  Eddy current testing method can also be used to monitor the surface condition such as ·  Surface coating ·  Corrosion ·  Specimen Temperature 

Eddy Current Testing Depends on ·  Electrical conductivity of the material

­ 78 ­ 

·  ·  ·  ·  ·  ·  · 

Nature of discontinuities in the material Magnetic permeability of the material Dimensions and shape of the specimen Current frequency Coil size Number of turns in the coil Metal condition 

Advantages of Eddy Current Testing Method ·  ·  ·  ·  ·  ·  · 

Instantaneous results Sensitive to a range of physical properties Firm contact between inspection coil and specimen not required Equipment is small and self­contained Can detect very small discontinuities Defects in tubes and other circular parts can be detected using special probes Internal surface of cylinders can be using special probes 

Disadvantages of Eddy Current Testing Method ·  ·  ·  ·  · 

This method can be used on electrical conductors only Depth of penetration is restricted Interpretation needs skill Defects parallel to coil surface can be missed Ends of the parts can not be tested

­ 79 ­ 

Chapter VIII 

Selection of NDT Methods  Defect to be detected  Surface Cracks  ( i )   Grinding cracks  ( ii )  Heat treat cracks  ( iii ) Solidification Cracks  ( iv ) Crater Cracks  ( v )  Cold Cracks  Inclusions 

Most Suitable  Method  PT, MPI &  Eddy Current 

Comments  PT for all metals  MPI for Ferrous Metals  ET for conductive materials 

Whiskers 

UT & RT for deep defects  MPI for near surface defects  RT,UT, MPI, DPI &  RT&PT for all metals  ET  MPI for Ferrous Metals  ET for conductive materials  UT if the rear side of the weld  is not visible  RT & UT  RT  is  sensitive  for  vertical  or  inclined defects  UT  is  sensitive  for  horizontal  or  inclined defects  UT  UT is very sensitive  VT, MPI, PT  PT is most sensitive  RT,UT  RT is most sensitive  VT, MPI, PT,RT  RT for root undercut, if not visible  VT,RT  RT if other  side is  not visible  VT,RT  RT if weld face  is  not visible  VT,RT  RT if weld root is  not visible  UT,RT  RT gives clear image 

Underfill, Underflush 

VT,UT,RT 

VT & RT are better 

Root concavity 

VT,RT 

RT if weld root is  not visible 

Convexity 

VT 

Welder Gauge is used to measure

Lack of  penetration  Lack of  root fusion  Concavity 

(i)   Lack of sidewall fusion  ( ii ) Lack of inter run fusion 

Laminations  Surface Porosity  Internal Porosity  Undercut  Mismatch  Inadequate weld reinforcement  Burn­Through 

UT, RT & MPI 

­  80 ­