Non destructive Testing

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  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

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.

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.

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.

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. 

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  .  crack  0  2  4  6  8  1  0  Initial  pulse  Crack  echo  Back surface  echo  Sound  waves 

X­ray film

 

Source  Rays  Object with defect  Film  Defect Image  Film with image  Probe  Couplant 

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.

Test 

Method 

UT 

X­ray 

Eddy 

Current 

MPI 

LPT 

Capital cost  Medium to  high  High  Low to  medium  Medium  Low  Consumable  cost 

Very low  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  equipment 

High  Low  High to 

medium  High to  medium  High  Capabilities  Thickness  gauging,  composition  testing  Thickness  gauging  Thickness  gauging,  grade  sorting  Defects  only  Defects  only  The Relative Uses and Merits of Various NDT Methods

Table 1 ­ Reference Guide to Major Methods for the Nondestructive 

Examination of Welds

 

Inspection  Method  Equipment  Required  Enables  Detectiort of 

Advantages  Limitations  Remarks 

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.

Magnetic  Particle  Special  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.  Liquid  Penetrant  Commercial  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.

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.

Lack of Fusion:

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

Porosity:

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

Cluster porosity:

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

the indications will be 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 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 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 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.

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

Tungsten inclusions.

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

Oxide inclusions:

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

Discontinuities in Gas Metal Arc Welds (GMAW)

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).

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

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

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.

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 

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. 

The  AMS  2644  and  Mil­I­25135  classify  developers  into  six  standard  forms.  These  forms are listed below:  1.  Form a ­ Dry Powder  2.  Form b ­ Water Soluble  3.  Form c ­ Water Suspendible  4.  Form d ­ Nonaqueous Type 1 Fluorescent (Solvent Based)  5.  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.

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

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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.

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.

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

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.