способ измерения среднего размера зерна материала поверхностными акустическими волнами

Формула изобретения

Способ измерения среднего размера зерна материала в изделии путем излучения преобразователями упругих волн последовательно на двух частотах f и f_j, приема прошедших сигналов на этих частотах и измерения их амплитуд, отличающийся тем, что излучают импульсы поверхностных волн, принимают прошедшие сигналы поверхностных волн такими же преобразователями, расположенными на одной оси с излучающими на расстоянии l друг от друга, дополнительно принимают прошедший сигнал на частоте f преобразователем, расположенным на расстоянии nl от излучающего, и на частоте f _j преобразователем, расположенным на расстоянии l/n от излучающего на частоте f_j, причем f _j=nf, a n - целое число и n>1, а средний размер зерна вычисляют по формуле

где U₂₁(nf) - отношение принятых сигналов поверхностных волн частотой f_j =nf, причем U₁(nf) - амплитуда принятого импульса при расположении излучающего и приемного преобразователей на расстоянии l; U₂(nf) - амплитуда принятого сигнала при расположении преобразователей на расстоянии l/n; U₁₂(f) - отношение амплитуд принятых сигналов поверхностных волн частотой f, причем U₁ (f) - амплитуда принятого импульса при расположении излучающего и приемного преобразователей на расстоянии l, a U ₂(f) - на расстоянии nl.

n - целое число, n>1, на которое изменяются рабочие частоты преобразователей поверхностных волн, самым удобным числом для серийно выпускаемых преобразователей является n=2,

G=B₁C+B ₂(1-C) - коэффициент, учитывающий рассеяние поверхностных волн зернами материала, С - число, однозначно зависящее от коэффициента Пуассона материала контролируемого изделия (для стали С=0,11), а коэффициенты B₁ и В₂ для металлов кубической системы решетки (медь, железо) могут быть вычислены на основе данных Меркулова

где C₁ и C _t - скорости распространения продольных и поперечных волн в материале изделия; - плотность материала; =С₁₁-C₂₂+2C ₄₄ - параметр, характеризующий степень упругой анизотропии материала; С_ij - упругие модули монокристалла.

Описание изобретения к патенту

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 материала, 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 химическими реактивами поверхности образцов, вырезанных из соответствующих участков изделий. Такой метод измерений утвержден нормативно-техническими документами [ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна]. Недостатком такого метода является длительность и трудоемкость измерений.

Известен интегральный способ оценки структуры материала по критерию «хорошая-плохая» с помощью ультразвука [Крауткремер Й., Крауткремер 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. В частности, такой способ используется для отбраковки осей колесных пар вагонов - «способ прозвучиваемости оси» [ГОСТ 4728-89. Заготовки осевые для подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм]. При уменьшении амплитуды донного сигнала в изделии на определенную величину относительно донного сигнала на эталонном образце структура считается плохой и изделие бракуется.

Такой способ можно реализовать при контроле серийных изделий путем сравнения с результатами прозвучивания 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 (балла), основанный на измерении структурных коэффициентов [Химченко Н.В. Ультразвуковой структурный анализ металлических материалов и изделий. М.: Машиностроение, 1976]. Под структурным коэффициентом понимается отношение амплитуд донных импульсов A_j при контроле эхо-методом в контактном варианте K_j=A _j/A, измеренных на частоте f_j и частоте f<<f_j. 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 продольной волны, получить донный эхо-сигнал от его противоположной грани (дна образца) и измерить его амплитуду А. Затем установить в ту же точку на поверхности образца преобразователь с рабочей частотой f_j >>f, возбудить импульс упругой продольной волны, получить донный эхо-сигнал и измерить его амплитуду Aj. Структурный коэффициент K_j, определяемый отношением амплитуд эхо-сигналов A_j/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 невозможность измерения среднего размера зерна в поверхностном слое материала, как при металлографическом анализе, а также необходимость изготовления большого числа эталонных образцов с различными значениями среднего размера зерна.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка ультразвукового способа контроля среднего размера зерна поверхностного слоя материала без применения эталонных образцов.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном способе, излучают импульсы упругих волн двумя преобразователями на двух частотах f и f_j, измеряют амплитуды принятых сигналов на этих частотах, но в отличие от известного способа излучают импульсы поверхностных волн, принимают сигналы поверхностных волн такими же преобразователями, расположенными на одной оси с излучающими, на расстоянии l, дополнительно принимают прошедшие сигналы на частоте f преобразователем, расположенным на расстоянии nl от излучающего и на частоте f _j преобразователем, расположенным на расстоянии l/n от излучающего, причем f_j=nf, где n>1 - целое число, а средний размер зерна D вычисляют по формуле:

где U₁(f) - амплитуда принятого импульса на частоте f при расположении излучающего и принимаемого преобразователя на расстоянии nl друг от друга; U ₂(f) - на расстоянии l друг от друга; U ₁(nf) - амплитуда принятого импульса на частоте f _j=nf при расположении преобразователей на расстоянии l друг от друга; U₂(nf) - на расстоянии l/n друг от друга; G - коэффициент, характеризующий рассеяние поверхностных волн в материале изделия.

Достигаемый технический результат состоит в возможности измерения среднего размера зерна в поверхностном слое материала. Дополнительным техническим результатом является отсутствие эталонных образцов.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема измерения, а на фиг.2 - расположение преобразователей на поверхности изделия при проведении измерений.

Предлагаемый способ рассматриваем на следующем примере (фиг.1): генератор высокочастотных электрических импульсов 1 возбуждает излучающий преобразователь 2 поверхностной волны на частоте f, соответствующей собственной резонансной частоте пьезопластины. Наклонный преобразователь с углом призмы

излучает поверхностную волну, которая распространяется в поверхностном слое материала изделия 3, где С _п - скорость распространения продольной волны в материале призмы, C_s - скорость распространения поверхностной волны в материале изделия.

Приемный преобразователь 4, установленный соосно с излучающим и на некотором расстоянии l от него, принимает прошедший сигнал поверхностной акустической волны, преобразует его в электрический импульс, который усиливается усилителем 5, а его амплитуда U₁(f) измеряется регистрирующим устройством 6.

Затем расстояние между излучающим 2 и приемным преобразователем устанавливается равным nl, где n>l - целое число и измеряется амплитуда U ₂(f) принятого сигнала.

Амплитуды этих сигналов в первом приближении можно записать в виде:

где K_u(f) - коэффициент преобразования электрического сигнала в сигнал поверхностной волны и обратно; U_г(f) - амплитуда возбуждающего электрического напряжения на частоте f, подаваемого от генератора 1 на преобразователь 2; (f) - коэффициент затухания поверхностной волны на частоте f; l и nl расстояния между излучающим и приемным преобразователями.

Отношение амплитуды принятых сигналов на основании (2) будет:

Известно [Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966], что коэффициент затухания поверхностной волны является комбинацией коэффициентов затухания продольной и поперечной волн:

где С - число, однозначно зависящее от коэффициента Пуассона материала контролируемого изделия. В частности, для стали (коэффициент Пуассона =0,27) C=0,11 и коэффициент затухания практически определяется затуханием поперечных волн.

Коэффициенты затухания объемных волн в конструкционных поликристаллических материалах в области >>D могут быть представлены [Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981] в виде:

где - длина волны ультразвука в материале изделия на рабочей частоте для продольных и поперечных волн; D - средний размер зерна материала; A₁, A₂ , B₁ и В₂ - постоянные коэффициенты, не зависящие от частоты.

После подстановки (4) в (3) получим:

где

E=A₁C+A ₂(1-C) G=B₁C+B₂ (1-C)

Затем на поверхность изделия на расстоянии l друг от друга устанавливаются преобразователи поверхностных волн (излучающий 2 и приемный 4) с рабочей частотой nf и измеряют амплитуду U ₁(nf) прошедшего сигнала. После этого расстояние между преобразователями устанавливается равным l/n и вновь измеряется амплитуда U₂(nf) прошедшего сигнала.

Амплитуды зарегистрированных сигналов будут:

Отношение амплитуд принятых сигналов на основании (7) будет:

Если разделить выражение (8) на (3) и учесть (6), то можно получить соотношение:

из которого следует:

Таким образом, видно, что выражение (10) является функцией измеренных амплитуд прошедших сигналов, рабочей частоты f, выбранного расстояния l и коэффициента G, определяющего рассеяние поверхностных волн.

Промышленность серийно выпускает пьезоэлектрические преобразователи поверхностных волн с рабочими частотами 1,25; 2,5; 5,0; 10,0 МГц. Поэтому для проведения измерений среднего размера зерна удобно выбрать преобразователи, отличающиеся по частоте в 2 раза, т.е. n=2. В этом случае выражение (10) приводится к виду:

Для металлов с кубической системой решетки (медь, железо и др.) коэффициент G может быть вычислен согласно (6) на основании данных, полученных в [Меркулов Л.Г. Поглощение и рассеяние ультразвука в поликристаллических средах. Известия ЛЭТИ, 1957, вып.1, с.5-29].

где C₁ и C _t - скорости распространения продольных и поперечных волн в материале изделия; - плотность материала; =С₁₁-C₂₂+2C ₄₄ - параметр, характеризующий степень упругой анизотропии материала; С_ij - упругие модули монокристалла.

Для стали известны эмпирические значения коэффициентов затухания продольных и поперечных волн [Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровней квалификации. М.: ЦНИИТМАШ, 1998]

С учетом (12) выражение (11) приводится к виду:

При расчетах по формуле (13) необходимо частоту подставлять в МГц, расстояние l между преобразователями в м, а средний размер зерна будет в мм.

Контроль результатов измерений среднего размера зерна материала по затуханию поверхностных волн осуществлялся на образцах листового проката из стали Х65 на частотах 5,0 и 10,0 МГц. Данные акустических измерений и сравнения с результатами металлографии представлены в таблице.

№ образцов	Толщина Н (мм)	Результаты металлографии		Средний размер зерна D (мм)
		Балл зерна	Размер зерна (мм)
62141	19,2	8	0,022-0,031	0,028
67663	15,2	10	0,011-0,016	0,014
63111	19,0	9	0,016-0,022	0,022
77344	14,4	8	0,022-0,031	0,029
63114	19,0	8	0,022-0,031	0,026
63202	19,0	8	0,022-0,031	0,027
62692	11,9	9	0,016-0,022	0,022
65132	11,0	9	0,016-0,022	0,022
64416	11,3	9	0,016-0,022	0,024
61183	19,0	8	0,022-0,031	0,025
Среднее значение				0,024

Полученные результаты показывают, что предложенный способ можно использовать для экспресс-контроля среднего размера зерна поверхностного слоя материала акустическим методом и для его реализации не требуется использовать эталонные образцы.