9 Методы определения физико-механических свойств на основе измерения скоростей ультразвука. Акустическая тензометрия.

Контроль физико-механических свойств материалов акустическими методами – одно из важнейших направлений неразрушающего контроля качества материалов, деталей, изделий и конструкций.

Контроль основан на установлении взаимосвязи физико-механических, технологических, структурных характеристик материалов и изделий с акустическими характеристиками.

К основным физико-механическим характеристикам материалов, определяемым акустическими методами, относят:

• упругие (модуль нормальной упругости – модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона);

• прочностные (прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении, срезе и др.);

• технологические (плотность, пластичность, влажность, содержание отдельных компонентов, гранулометрический состав и др.);

• структурные (анизотропия материала, кристалличность и размеры кристаллов, размеры и содержание включений, например, содержание графитных включений в чугуне, глубина поверхностной закалки, пористость и др.).

Методы измерения скорости упругих волн

Классический импульсный метод

Наиболее просто реализуется возможность определения скорости по измеренному времени прохождения волной известного расстояния. Современные цифровые приборы и возможности компьютерной обработки позволяют обеспечить очень высокую точность измерения времени (до единиц наносекунд), вследствие чего погрешность измерений скорости в большей мере зависит от качества установки преобразователей на объект (наличие, толщина и стабильность контактных слоев) и погрешности, с которой удалось измерить расстояние или разность расстояний, пройденных импульсом.

Сравнительный метод измерения скорости звука

Схема измерения скорости сравнительным методом представлена на рисунке. Имеется две акустические линии. В первой – «измерительной» линии (ИЛ) импульс проходит с излучающего на приемный преобразователь непосредственно или через образец исследуемого материала, во второй – «эталонной» линии (ЭЛ) импульс проходит через слой жидкости (смесь дистиллированной воды и этилового спирта).

Схема измерения скорости звука методом сравнения с эталонной линией.

Наблюдая индикацию одновременно обоих радиоимпульсов на экране электронно-лучевой трубки и изменяя с помощью микрометрического винта толщину слоя жидкости, импульсы можно совместить. При этом интервалы времени, затраченные на прохождение импульсами толщины образца и слоя жидкости, равны.

Измерения проводят дважды: сначала при отсутствии в измерительной линии образца, затем вводят образец и повторяют измерение. Если скорость волны в жидкости равна с_ж, то искомую скорость упругой волны в исследуемом образце находят из соотношения

с = l с_ж /(h_1ж – h_2ж),

где h_1ж – толщина слоя жидкости при первом измерении; h_2ж -толщина слоя жидкости при втором измерении; l – длина образца.

Импульсно-фазовый метод

Этот метод измерения скорости основан на компенсации электрического импульса, сформированного на приемном преобразователе акустическим импульсом, прошедшим объект контроля, электрическим импульсом, прошедшим через регулируемую емкость связи С_св во входную цепь приемника. Блок-схема метода приведена на рисунке 3.2.

Измерение скорости импульсно-фазовым методом.

Измерение скорости производится по времени задержки при котором суммарный сигнал на экране осциллографа максимально близок к нулю, для чего дополнительно выполняется регулировка емкости и амплитуды.

Метод синхрокольца (автоциркуляции импульса)

При измерении скорости ультразвука методом синхрокольца ультразвуковой импульс, возбужденный генератором, распространяется в объекте контроля от излучающего до приемного преобразователя, а принятый сигнал преобразуется в синхроимпульс, запускающий генератор и, таким образом инициирующий излучение ультразвукового сигнала. Система работает в автоколебательном режиме. В системе начинают циркулировать импульсы, частота следования которых, измеряемая частотомером, связана со временем прохождения ультразвука через известную базу объекта контроля и, следовательно, со скоростью ультразвука.

Фазовый метод измерения скорости

Основан на измерении набега фаз. Метод реализуется при использовании «длинного импульса». Его длительность превышает время двойного прохождения импульса по образцу (возможна и реализация с непрерывным гармоническим сигналом). Импульсы, соответствующие последовательным отражениям, перекрываются и интерферируют. При небольших изменениях частоты интерферирующие сигналы складываются в фазе или в противофазе. Зная частоты, соответствующие таким событиям, можно найти значение скорости звука. Когда преобразователь установлен непосредственно на образец, приближенное значение скорости можно определить по формуле c = 2lf, где l – длина образца; f – разность двух соседних частот, соответствующих противофазной интерференции.

Акустическая тензометрия

Ультразвуковой метод контроля остаточных напряжений основывается на эффекте акустоупругости, описывающем влияние механического напряжения на скорость распространения ультразвуковых волн в материале с, и в общем виде характеризуется выражением:

,

где с⁰ – скорость волны в ненапряженном материале; σ – напряжение; K – коэффициент акустоупругости.

Особенность метода акустоупругости заключается в том, что он является безальтернативным в использовании для задач контроля внутренних напряжений в материале. Достоинства метода - быстрота, дешевизна, совмещение с ультразвуковым контролем для выявления внутренних дефектов.

Недостатки метода заключаются в том, что получаемые значения напряжений являются средними вдоль линии распространения ультразвуковых волн.

Изменение скоростей ультразвуковых волн в стальных образцах, вызванное изменением напряжений, иллюстрируется на рис. Скорость продольной волны изменяется наиболее сильно при ее распространении в направлении деформации (напряжения) (3 на рис.), поскольку колебание частиц в продольной волне происходит в направлении распространения. Однако следует принять во внимание, что пластическая деформация материала в приповерхностном слое и различные виды поверхностных дефектов часто затрудняют измерение напряжений данным типом волн.

Относительное изменение скоростей волн как функция упругой деформации стального образца

Для определения напряженного состояния детали наиболее удобно использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости действия напряжений. При этих волнах частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения. Скорость поперечной волны, направление распространения которой перпендикулярно деформации (напряжению), а направление колебания частиц параллельно ему (2 на рис.), снижается по мере увеличения напряжения слабее, чем скорость упомянутой ранее продольной волны. Влияние напряжения на скорость поперечной волны, направления распространения и колебания частиц в которой перпендикулярны напряжению (1 на рис.), проявляется весьма слабо.

В связи с тем, что относительное изменение скорости под воздействием напряжений составляет доли процента, д ля измерения c_l и c_t требуется применение точных методик и оборудования. Однако для определения напряженного состояния материала достаточно измерить лишь относительное изменение скорости волн разных типов. В зависимости от решаемой задачи и геометрических размеров контролируемого объекта в некоторых случаях можно пользоваться достаточно простыми методами измерений, обеспечивающими необходимую точность определения c/c.