Способ измерения среднего размера зерна материала ультразвуковым методом

Использование: для измерения среднего размера зерна материала ультразвуковым методом. Сущность: осуществляют излучение преобразователями импульсов упругих волн нормально к поверхности плоского изделия последовательно на двух частотах f и fj, принимают первые донные импульсы на этих частотах и измеряют их амплитуды, при этом дополнительно измеряют амплитуду второго донного импульса на частоте f и n-го донного импульса на частоте fj, находят отношение амплитуд первого и второго донного импульсов на частоте f и первого и n-го донного импульсов на частоте fj, причем fj=f/m, a m=n-1, где n - целое нечетное число, а средний размер зерна D материала вычисляют по соответствующей математической формуле. Технический результат: обеспечение контроля среднего размера зерна материала без применения эталонных образцов. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающих испытаний материалов и изделий ультразвуковым методом. Главным образом оно может быть использовано для измерения структурных характеристик конструкционных материалов в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности

В промышленности для определения структурных характеристик материалов, в частности среднего размера зерна используют метод металлографического анализа [Шулаев И.Л. Контроль в производстве черных металлов. М: Металлургия, 1978]. Сущность этого метода состоит в измерении зерен материала, видимых визуально или в микроскоп на шлифованной, полированной и протравленной кислотами поверхности образцов, вырезанных из соответствующих участков изделий. Недостатком такого метода является длительность и трудоемкость измерений, определение среднего размера зерна поверхностного участка материала.

Известен интегральный способ оценки структуры материала по критерию «хорошая»- «плохая» с помощью ультразвука [Крауткрамер Й., Крауткрамер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник, М.: Металлургия, 1991]. Он заключается в прозвучивании контролируемых изделий эхо-методом на заданной частоте f и сравнении амплитуды донного сигнала на эталонном образце с «хорошей» структурой с амплитудами донных сигналов на испытуемых изделиях. При уменьшении амплитуды донного сигнала в изделии на определенную величину относительно амплитуды донного сигнала на эталонном образце структура считается «плохой» и изделие бракуется.

Такой способ можно реализовать при контроле серийных изделий, когда их толщина совпадает с толщиной эталонного образца. Недостатком такого способа является невозможность определения среднего размера (или балла зерна) и существенное влияние на результаты контроля качества акустического контакта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения среднего размера зерна материала (балла), основанный на измерении структурных коэффициентов [Химченко Н.В. Ультразвуковой структурный анализ металлических материалов и изделий. М.: Машиностроение, 1976, с.17]. Под структурным коэффициентом понимается отношение амплитуд донных импульсов Aj при контроле эхо-методом в контактном варианте Kj=Aj/A, измеренных на частоте fj и частоте f<<fj. Сравнение структурных коэффициентов на эталонных образцах с известной структурой, определенной методом металлографического анализа, и образцах материала такой же толщины позволяет при равенстве структурных коэффициентов определить средний размер зерна интегрально по всей толщине контролируемого материала.

Для реализации этого способа необходимо в образце материала контролируемого изделия такой же толщины, что и эталонные образцы, с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбудить на частоте f импульс упругой волны, получить донный эхо-сигнал от его противоположной грани (дна образца) и измерить его амплитуду A. Затем установить в ту же точку на поверхности образца преобразователь с рабочей частотой fj>>f, возбудить импульс упругой волны, получить донный эхо-сигнал и измерить его амплитуду Aj. Структурный коэффициент Kj, определяемый отношением амплитуд эхо-сигналов Aj/A или их разностью [дБ], после этого сравнивается с полученными аналогичными значениями структурных коэффициентов на эталонных образцах с известным средним размером зерна.

Недостатком такого способа является необходимость изготовления большого числа эталонных образцов с различным значением среднего размера зерна и невозможность проведения измерений таким способом на изделиях с различной толщиной.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка способа контроля среднего размера зерна материала без применения эталонных образцов.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном способе, излучают импульсы упругих волн нормально к поверхности изделия последовательно на двух частотах f и fj, измеряют амплитуды первых донных сигналов на этих частотах, дополнительно измеряют амплитуду второго донного импульса на частоте f и n-го донного импульса на частоте fj, находят отношение амплитуд первого и второго донного импульсов на частоте f и первого и n-го донного импульсов на частоте fj, причем fj=f/m, a m=n-1, где n - целое нечетное число, а средний размер зерна D материала вычисляют по формуле:

где U₁₂(f) - отношение амплитуды первого донного сигнала ко второму на частоте f;

U_1n(fj) - отношение амплитуды первого донного импульса к n-му донному импульсу на частоте fj=f/m;

F₁₂(f)=F₁(f)/F₂(f) - отношение функций, учитывающих дифракционное расхождение звуковых пучков для первого F₁ и второго F₂ донных импульсов на частоте f;

F_1n(fj)=F₁(fj)/F_n(fj) - отношение функций, учитывающих дифракционное расхождение звуковых пучков для первого F₁ и n-го F_n донного импульсов на частоте fj;

R₁(f) и R₁(fj) - коэффициенты отражения звуковых пучков от донной поверхности изделия на частоте f и fj соответственно;

R₂(f) и R₂(fj) - коэффициенты отражения звуковых пучков от поверхности преобразователя на частоте f и fj соответственно;

h - толщина изделия;

В - коэффициент, характеризующий рассеяние звука в материале изделия.

Амплитуды донных импульсов измеряют на частотах f и fj при установке соответствующих преобразователей на один и тот же участок поверхности изделия.

Достигаемый технический результат состоит в упрощении измерений, сокращении времени и уменьшении затрат на проведение измерений.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема измерения, а на фиг.2 - временные диаграммы.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Генератор высокочастотных электрических колебаний 1 возбуждает преобразователь 2 на частоте f, соответствующей собственной резонансной частоте преобразователя. Ультразвуковой импульс, создаваемый этим преобразователем в режиме излучения, распространяется в контролируемом изделии 3 и последовательно отражается от свободной донной поверхности изделия и от верхней его поверхности, на которой установлен преобразователь, работающий уже в режиме приема. Преобразователь последовательно принимает эхо-сигналы, однократно U₁(f) (фиг.2а, сигнал 1) и двукратно U₂(f) (фиг.2а) отраженные от дна изделия, преобразует их в соответствующие электрические сигналы, которые усиливаются усилителем их в соответствующие электрические сигналы, которые усиливаются усилителем 4, их амплитуды измеряются регистрирующим устройством 5, а затем находят отношение амплитуд этих сигналов.

Амплитуды этих сигналов, в соответствии с уравнением акустического тракта [Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.], записываются в виде:

где K_U - коэффициент двойного электромеханического преобразования на частоте f;

U₁ - амплитуда возбуждающего электрического напряжения на частоте f, подаваемого от генератора 1 на преобразователь 2;

R₁ - коэффициент отражения звукового пучка от донной поверхности изделия;

R₂ - коэффициент отражения звукового пучка от верхней поверхности изделия, на которой расположен преобразователь 2, работающий в режиме приема;

F₁ и F₂ - функции, учитывающие дифракционное расхождение звуковых пучков, зависящие от волнового размера преобразователя и пройденного им расстояния [Khimunin A.S., Numerikal Calculation of the Diffraction Corrections for the Precise Measurment of Vetrasound Absorption. Acustica, 1972, v27, №4, p.173-181];

δ - коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале изделия;

h - толщина контролируемого изделия.

Коэффициент затухания ультразвука в конструкционных поликристаллических материалах в области λ>>D может быть представлен как:

где δ_П - коэффициент поглощения; δ_Р - коэффициент рассеяния; D - средний размер зерна материала; λ - длина волны ультразвука в материале изделия на рабочей частоте; А и В - коэффициенты, не зависящие от частоты.

С учетом выражений (1) и (2) отношение амплитуд первого и второго донных сигналов можно записать в виде:

Затем в ту же точку на поверхности контролируемого изделия устанавливают ультразвуковой преобразователь с резонансной частотой fj=f/m, излучают в изделие 3 импульс упругих волн, принимают отраженные от донной и передней поверхности сигналы и измеряют амплитуды первого и n-го донных импульсов и находят их отношение. Параметры m и n выбирают по соотношению:

В соответствии с уравнением акустического тракта [Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.] амплитуды этих донных импульсов можно записать в виде:

Соотношение амплитуд первого и n-го донных импульсов с учетом (2), (4) и (5) может быть записано в виде:

Используя выражения (3) и (6), получаем отношение:

из которого следует:

Таким образом видно, что выражение (7) является функцией только коэффициента В, значение которого для различных поликристаллических материалов может быть определено из экспериментальных исследований коэффициента рассеяния ультразвука. Для металлов с кубической системой решетки (железо, медь) значение этого коэффициента согласно [Меркулов Л.Г. Поглощение и рассеяние ультразвука в поликристаллических средах // Известия ЛЭТИ. 1957. Вып. №1. С.3-29] имеет вид:

где с_l и c_t - скорости распространения продольных и поперечных волн в материале изделия;

ρ - плотность материала;

μ=C₁₁-C₁₂-2C₄₄ - параметр, характеризующий степень упругой анизотропии металла;

C_ij - упругие модули монокристалла.

Для стали численное значение параметра В представлено в [Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровней квалификации. М. 1998. 170 с].

Коэффициент отражения звукового пучка от донной поверхности изделия R₁ может быть вычислен по формуле:

R₁=(zм-zв)/(zм-zв),

где zм и zв - акустические сопротивления материала изделия и воздуха.

Методика расчета коэффициента отражения R₂ от поверхности преобразователя изложена в работе [Голубев А.С., Иванов В.Е., Яковлев Л.А. О преобразовании упругой энергии в электрическую при отражении ультразвуковой волны от пьезовибратора // Акуст. журн. 1965. Т.Х1, вып.1. С.52-56]. Результаты выполненных расчетов показали, что значения коэффициентов отражения R₁ и R₂ близки к единице. Поэтому в первом приближении без большой ошибки последний член в числителе выражения (7) можно положить равным нулю.

Рассмотрение предлагаемого способа показывает, что для его реализации не требуется использование эталонных образцов, что приводит к упрощению процесса измерения и дает возможность его применить для экспресс-контроля среднего размера зерна материала акустическим методом.

Способ измерения среднего размера зерна материала в плоском изделии путем излучения преобразователями импульсов упругих волн нормально к его поверхности последовательно на двух частотах f и f_j, приема первых донных импульсов на этих частотах и измерения их амплитуд, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитуду второго донного импульса на частоте f и n-го донного импульса на частоте f_j, находят отношение амплитуд первого и второго донного импульсов на частоте f и первого и n-го донного импульсов на частоте f_j, причем f_j=f/m, a m=n-1, где n - целое нечетное число, а средний размер зерна D материала вычисляют по формуле:

где U₁₂(f) - отношение амплитуды первого донного сигнала ко второму на частоте f;

U_1n(f_j) - отношение амплитуды первого донного импульса к n-му донному импульсу на частоте f_j=f/m;

F₁₂(f)=F₁(f)/F₂(f) - отношение функций, учитывающих дифракционное расхождение звуковых пучков для первого F₁ и второго F₂ донных импульсов на частоте f;

F_1n(f_j)=F₁(f_j)/F_n(f_j) - отношение функций, учитывающих дифракционное расхождение звуковых пучков для первого F₁ и n-го F_n донного импульсов на частоте f_j;

R₁(f) и R₁(f_j) - коэффициенты отражения звуковых пучков от донной поверхности изделия на частоте f и f_j, соответственно;

R₂(f) и R₂(f_j) - коэффициенты отражения звуковых пучков от поверхности преобразователя на частоте f и f_j, соответственно;

h - толщина изделия;

В - коэффициент, характеризующий рассеяние звука в материале изделия.