40. Особенности акустического контроля физико-механических характеристик объектов по изменению скорости и затуханию волн (структура металлов, коррозия).

Чугун - это сплав железа с углеро­дом, в котором доля углерода превышает 4,13 %. Различают белый чугун, в котором углерод входит в химическое соединение с железом (цементит), и чугун, в котором углерод выпадает в виде графита. Чаще всего в промышленности применяют именно такой чугун, но иногда использу­ют также белый чугун, обладающий по­вышенной твердостью.

Контроль структуры чугуна УЗ по­зволяет определить количество и форму графитных включений. В структуре чугу­на может присутствовать графит различ­ных форм. Наиболее высокая прочность у чугуна с мелким шаровидным графитом. Меньше прочность, когда графит имеет хлопьевидную форму (вермикулярный графит), еще меньше при пластинчатом графите (серый чугун).

Структуру чугуна оценивают по ско­рости и затуханию продольных УЗ-волн. Установлено, что в чугуне с выпав­шим графитом скорость УЗ увеличивается с уменьшением содержания графита, уменьшением размеров графитовых вклю­чений, изменением их формы от пластин­чатой к шаровидной, увеличением количе­ства шаровидных графитных включений к общему содержанию графита, увеличени­ем содержания цементита в металличе­ской основе. Предельно высокое значение скорости УЗ приближается к скорости в стали. Затухание УЗ обычно уменьшается, когда скорость увеличивается.

Путем исследований выбирают аку­стические характеристики, наиболее тесно корреляционно связанные с исследуемым структурным параметром чугуна. С уче­том этого информацию о графите (со­держание, форма, размер) обычно полу­чают по скорости УЗ, а информацию о металлической основе (матрице) - по его затуханию.

Структура и химический состав чу­гуна определяют его механические свой­ства: прочность (временное сопротивле­ние при растяжении), твердость (исполь­зуют обычно твердость по Бринеллю НВ), модуль нормальной упругости. Во многих случаях практически важен контроль именно этих свойств, а не структурных характеристик, лежащих в их основе. С учетом этого исследовали корреляцион­ные связи акустических и физико-механических свойств.

Модуль нормальной упругости про­порционален квадрату скорости Е = Ас². Коэффициент А опреде­ляют эмпирически, на него влияют плот­ность и коэффициент Пуассона материала. В отношении твердости известно, что с ее увеличением скорость звука возрастает (в стали - наоборот), а затухание уменьшает­ся, однако для каждого вида чугуна эта связь в количественном отношении инди­видуальна.

Временное сопротивление чугуна при растяжении обычно определяют формулой = ЕНВ = с² НВ, здесь и - эмпи­рические коэффициенты, которые опреде­ляют на основе прямых испытаний для каждой марки чугуна и даже с учетом особенности технологии выплавки на дан­ном предприятии. Для чугуна с шаровид­ным графитом установлено, что = 0,062 ... 0,114, а с пластинчатым - = 0,032 ... 0,077 при измерении в МПа, а скорости с в км/с. Погрешность не превышает 7 %.

Для точного измерения скорости и затухания УЗ необходимо иметь два дон­ных сигнала. Между тем большое затуха­ние УЗ в чугуне нередко затрудняет на­блюдение второго донного сигнала.

Л.В. Воронковой было предложено измерение такой акустической величины, как отношение донный сигнал - структур­ная помеха. Для этого наблюдают уровень помех вблизи донного сигнала (в зоне протяженностью не более двух длин волн) и измеряют этот уровень Р_п по от­ношению к амплитуде донного сигнала Р_д (рисунок 26). Важное достоинство этой ве­личины состоит в том, что для ее измере­ния достаточно наблюдать один донный сигнал.

Рисунок 26 - Принцип измерения отношения донный сигнал – структурная помеха

Отношение донный сигнал - помеха в дальней зоне не зависит от толщины ОК, что очень удобно. В то же время предложенная характеристика не является независимой от ранее рассмот­ренных. Она сильно зависит от скорости с ультразвука и слабее - от коэффициента рассеяния , который составляет основ­ную часть коэффициента затухания в чу­гуне. Отношение донный сигнал-помеха зависит также от качества акустического контакта. Предложенное отношение рекомендуется использовать вместо измерения скорости ультразвука для оценки степени шаровидности.

Межкристаллитная коррозия поражает изнутри стенки сосудов и трубопроводов. Она проявляется в том, что происходит химическое превращение веществ, располагающихся по границам кристаллитов (зерен) металла и в результате резко снижается его прочность. Другие виды коррозии обнаруживают по локальному уменьшению толщины стенок с помощью толщиномеров группы Б. Межкристаллитная коррозия характерна очень тонкими промежутками между зернами металла, причем эти промежутки заполнены продуктами коррозии. Такие несплошности не дают четкого отражения ультразвуковых волн, поэтому межкристаллитную коррозию контролируют по затуханию ультразвука

Межкристаллитная коррозия вызывает изменение скорости не более чем на 15 % , в то время как коэффициент затухания изменяется в десятки раз. Надежный способ контроля межкристаллитной коррозии состоит в сравнении амплитуд сигналов, прошедших один и тот же путь в ОК, пораженном и не пораженном коррозией (ГОСТ 6032-75).

Наиболее простой способ состоит в сравнении амплитуд сигналов, прошедших один и тот же путь в ОК, пораженном и не пораженном коррозией. Коэффициент коррозии принимают равным отношению амплитуд в корродированном и некорродированном (образцовом) ОК. Контроль ведут на частотах 1...10 МГц, подбирая такое значение, где влияние коррозии наибольшее. В зависимости от условий контроля могут быть использованы продольные волны с применением совмещенного или раздельно-совмещенного преобразователя или поперечные волны, излучаемые и принимаемые двумя встречно расположенными наклонными преобразователями. При небольшой толщине ОК используют волны Лэмба или квазирэлеевские волны.

Недостаток описанного метода состоит в том, что два ОК должны очень точно соответствовать друг другу по форме и чистоте поверхности. Несколько снижаются требования к образцовому ОК при использовании относительного метода, когда контроль ведут на двух частотах таким же способом, как при измерении структурных коэффициентов.