ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

2

Работа выполнена в Институте физики металлов Уральского отделения РАН, г. Екатеринбург.

Защита состоится 23 ноября 2004 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный технический университет» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная 5, ауд.200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 22 октября 2004 г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ультразвуковая дефектоскопия является одним из основных методов контроля дефектов типа нарушения сплошности в изделиях, заготовках, сварных швах. Она предоставляет возможность выявления внутренних дефектов самых различных размеров, по-разному расположенных в изделиях. Этот вид неразрушающего контроля можно применять к различным материалам, выявлять дефекты различного происхождения. Ультразвуковые методы дают возможность не только определить наличие и местоположение дефекта, но и оценить многие его характеристики. Ультразвуковые методы с успехом применяются для оценки структуры материалов.

В ультразвуковой дефектоскопии заключение о характеристиках дефектов делается по косвенным признакам. В результате взаимодействия с дефектом появляются дополнительные отражения волн, изменяется амплитуда, фаза волны и многие другие параметры. Поэтому нахождение связи между характеристиками дефекта и параметрами волны имеет первостепенное значение.

Для упругоизотропных и однородных материалов многие важные вопросы дефектоскопии решены. Известен ряд факторов, осложняющих ультразвуковой контроль. К таким факторам относятся, в частности, анизотропия или текстура упругих свойств, пространственная неоднородность, выраженная внутренняя структура. Такие материалы отличаются высоким уровнем структурных помех и большим затуханием ультразвуковых волн. Помимо того, упругая анизотропия материала сварного шва приводит к особенностям распространения волн, вызывающим затруднения в процессе контроля. Существующие жесткие требования к эксплуатационной надежности изделий указывают на необходимость разработки методов контроля, использующих ранее не учитывавшиеся закономерности распространения упругих волн.

Актуальность. Развитие методов акустического неразрушающего контроля требует детального рассмотрения процессов распространения отражения и преломления упругих волн в анизотропных и неоднородных средах. Практически важное значение имеют задачи определения фазовых скоростей волн, расчета направления потока энергии, структуры акустического поля. Повышение надежности и достоверности ультразвукового (УЗ) контроля, развитие новых методик должно опираться на глубокое понимание физических процессов, происходящих в анизотропных, текстурованных и неоднородных средах. К настоящему времени теория упругих волн в таких средах детально разработана, однако эта теория сложна; она должна быть переработана с учетом дальнейшего применения результатов в УЗ контроле. Использование специфики распространения упругих волн в намагниченных средах имеет перспективы для построения методик неразрушающего контроля структурного состояния. В т о ж е время р а х весьма сложен.

4

Таким образом, задача настоящего исследования может быть сформулирована следующим образом. Будет построена последовательная теория упругих волн в анизотропных, неоднородных и намагниченных средах. Будет рассмотрено распространение волн, их преломление и отражение. На базе теории и основываясь на свойствах технических материалов будут сформулированы физические модели, для которых в работе получены точные или приближенные решения, вплоть до инженерных формул и численных расчетов. Основное внимание будет уделено сталям аустенитного класса.

На основе рассмотрения собственных упругих мод в трансверсальноизотропном гиротропном материале сформулированы принципы и основные уравнения для вычисления коэффициентов отражения и прохождения ультразвука на границе раздела. Дан анализ изменения поляризации и

магнитнополяризованных средах. Сформулированы методы решения задач теории упругости для пространственно неоднородного анизотропного слоя.

В настоящее время ряд деталей и конструкций ответственного назначения изготовляется из нержавеющих сталей аустенитного класса. Процесс УЗ контроля изделий из этих сталей и аустенитных сварных швов, как известно, осложняется целым рядом обстоятельств. Среди них - грубозернистая столбчатая структура кристаллитов, неоднородность и анизотропия (текстура) упругих свойств, причем направление оси текстуры искривлено в материале сварного шва. Точное решение уравнений теории упругости и определение полей УЗ волн представляется невозможным, поэтому моделирование наиболее важных упругих свойств среды является реалистичным способом описания упругих волн в аустенитных материалах. Наиболее распространенной моделью, принятой для описания УЗ волн в аустенитных нержавеющих сталях, является модель трансверсально - изотропной среды. Модель трансверсально - изотропной (ТИ) среды учитывает столбчатую структуру кристаллитов аустенита, благодаря которой в материале существует выделенная ось, совпадающая с осью роста кристаллитов. В плоскости, перпендикулярной оси роста, упругие свойства изотропны или близки к изотропным.

Модель ТИ среды применительно к аустенитной стали использована в многочисленных работах - для модельных объектов из ТИ аустенита, моделей сварного шва, в том числе содержащих дефекты. Грубозернистая структура аустенита сварного шва приводит к повышенному рассеянию упругих волн и повышенному уровню структурных помех, осложняющих УЗ контроль. Наличие упругой анизотропии вызывает отклонение направления потока энергии от вектора фазовой скорости, а искривление оси ТИ структуры в сварном шве вызывает сильную рефракцию и искажение профиля пучка. Помимо отмеченных обстоятельств, ранее уже исследованных, материал аустенитного сварного шва неоднороден. Масштабы неоднородности могут изменяться в широких пределах - от медленного в зоне термического влияния

5

до весьма быстрого перехода от трансверсально-изотропного аустенитного материала шва до изотропного металла свариваемой детали.

В течение последних 10-15 лет достигнут большой прогресс в объяснении свойств магнитнополяризованных (гиротропных) сред на основе представлений о пространственной дисперсии. В акустике пространственная дисперсия сказывается в том, что тензор упругих напряжений зависит не только от тензора упругих деформаций, но и от их пространственных производных. Учет пространственной дисперсии приводит к существованию частотной зависимости скорости звука, а также явлений вращения плоскости поляризации поперечных упругих волн (акустической активности) и преобразования поляризации собственных мод. В области частот в единицы мегагерц, употребляемой в ультразвуковой дефектоскопии, влияние пространственной дисперсии на упругие свойства среды само по себе невелико. Однако оно может резко усиливаться в случае эффективного взаимодействия ультразвука с иными подсистемами, например магнитной. Магнитная поляризация среды может быть реализована наложением внешнего магнитного поля, или существовать за счет магнитных доменов, если материал рассматриваемой среды содержит ферроили ферримагнитную фазу.

В металле стального сварного шва в рассматриваемом диапазоне частот не выше десятков мегагерц наиболее реальной причиной проявления эффектов пространственной дисперсии является магнитная поляризация среды. Термин гиротропия, означающий существование антисимметричных мнимых недиагональных компонент материальных тензоров, будет использоваться и для описания эффектов, вызванных этими компонентами.

Магнитная поляризация среды будет оказывать существенное влияние на распространение упругих волн, если осуществляется ее взаимодействие с упругой и магнитной подсистемами. Здесь мы не будем касаться вопроса о взаимодействии спиновых и ультразвуковых волн, которое требует значительно более высоких частот ультразвука, чем применяемые в ультразвуковой дефектоскопии. Будем считать, что взаимодействие в не намагниченных до насыщения образцах объясняется колебаниями стенок магнитных доменов под действием упругой волны. Колебания стенок создают переменное магнитное поле, возникают электрические токи, которые приводят к магнитомеханическим потерям. Наложение магнитного поля устраняет домены и потому уменьшает затухание. Одновременно с этим увеличивается скорость ультразвука. На частотах в единицы и десятки мегагерц типичные затухания от магнитного поля в никеле, железе, сталях составляют 0,5 - 5 дБ/см, относительное изменение скорости при этом составляет 0,05 - 2%. Вид зависимостей коэффициента затухания и скорости волн от напряженности магнитного поля и величина эффектов зависят от состава и структуры материала. Поскольку вклад магнитной поляризации в упругие модули невелик, то для его выявления целесообразно выбрать оптимальные условия наблюдения. Следует стремиться к тому, чтобы влияние магнитной поляризации приводило к появлению новых, отсутствовавших без магнитной

6

поляризации, эффектов. К ним могут относиться: преобразование собственных волн, поворот плоскости поляризации и появление эллиптичности поперечных волн. В настоящей работе будет сделан упор на выявление условий, необходимых для таких эффектов.

В данной работе материал шва представляется анизотропной однородной средой, образованной усреднением упругих свойств кристаллитов, имеющих одинаковую ось роста. Усреднение возможно, если площадь одного кристаллита много меньше площади ультразвукового пучка. В результате усреднения получается трансверсально-изотропная среда. Гиротропия, вызванная намагничиванием, накладывается на эту симметрию. В этой работе принято, что ось гиротропии совпадает с осью трансверсально-изотропной структуры. Влияние гиротропии на упругие свойства, как правило, будет описываться феноменологически введением в рассмотрение динамического тензора модулей упругости.

Цель диссертации - повышение достоверности и совершенствование акустических методов контроля качества намагниченных, неоднородных и анизотропных сред.

Для достижения цели были решены следующие научнотехнические задачи:

1. Теория распространения упругих волн в твердых телах изложена применительно к акустическому неразрушающему контролю.

2.Изучены волны в трансверсально-изотропной среде.

3.Исследованы акустические поля в анизотропных средах. Выполнен анализ структуры ультразвуковых полей с целью выявления дефектов.

4.Разработаны методы обработки ультразвуковых сигналов на базе вейвлетного преобразования.

5.Изучено влияние намагничивания и гиротропии на распространение упругих волн в модели трансверсально-изотропной среды.

6.Рассчитаны поляризация и лучевая скорость упругих волн в аустенитной стали в модели трансверсально-изотропной среды.

7.Исследованы магнитоакустические эффекты в ферромагнитных металлах в квазистатической области частот.

8.Изложена теория отражения и преломления упругих волн на границах анизотропных и магнитнополяризованных сред.

9.Рассчитано отражение и преломление упругих волн на границе анизотропной неоднородной гиротропной среды.

10.Детально изучены упругие волны в неоднородной пластине аустенитной стали.

Методы исследований. Использованный в работе математический аппарат

включает в себя теорию кристаллоакустики, теорию динамических магнитных явлений. Основу составляет использование аналитических методов расчета с

7

применением тензорного анализа. Значительную роль в получении результатов имеет моделирование свойств реальных сред. Численные расчеты выполнены на базе вычислительной техники с применением пакетов MathCad, Excel, Origin. Экспериментальные исследования выполнены на современном научном оборудовании для измерения ультразвуковых характеристик и исследования акустических полей.

Измерения структуры акустических полей выполнены на лазерном интерферометре Института неразрушающего контроля (г. Дрезден, Германия). Упругие волны в кристалле возбуждались пьезоэлектрическими преобразователями с резонансной частотой Пьезопластины были дисковой формы с диаметром 5мм для продольных и 6мм для поперечных волн. Пьезопреобразователь поперечных волн снабжен буфером из плавленого кварца. Зондирующий сигнал, длительностью вырабатывал ультразвуковой дефектоскоп USIP-12 фирмы Krautkramer. С помощью дефектоскопа наблюдалась затухающая серия импульсов отражений ультразвуковых волн в образце. Пучок упругих волн, распространяясь в кристалле, достигал противоположной плоской грани и отражался от нее. Поле упругих смещений регистрировалось лазерным доплеровским интерферометром OFV 3000S фирмы Polytec. Выходной сигнал интерферометра наблюдался на осциллоскопе LeCroy LC 334A и переводился им в цифровую форму. Анализ данных выполнялся с помощью программы LabView5.0. С помощью этого программного обеспечения задавался режим сканирования: поле сканирования (чаще всего 16 х 19 мм); шаг сканирования 0,125 или 0,25 мм. Кроме того, устанавливалось число циклов измерения, за которое усреднялись данные измерения в каждой точке поля сканирования. Число циклов устанавливалось в зависимости от отношения сигнал/шум, как правило, выбиралось 50 или 100 циклов усреднения. Информация о временной зависимости амплитуды принятого сигнала сохранялась и была доступна для дальнейшего анализа.

Измерения скорости и коэффициента поглощения упругих волн выполнены на частотах 1 0 - 5 6 МГц с помощью импульсной фазочувствительной установки, которая позволяет измерять амплитуду сигналов с разрешением ±0,2 дБ. Погрешность измерения абсолютного значения скорости упругих волн около ±3%.

Научная новизна.

1.Впервые построена теория распространения ультразвуковых волн в магнитнополяризованной трансверсально-изотропной среде.

2.Показано, что магнитная поляризация приводит к изменению скоростей и поляризации собственных волн.

3.Рассчитаны добавки к групповой скорости и потоку энергии упругих волн, возникающие из-за магнитной поляризации среды.

4.Получены формулы для инженерного расчета компонент групповой скорости трансверсально-изотропной среды, моделирующей сталь аустенитного класса.

8

5.Изучена структура акустического поля в кубических монокристаллах металлов методом лазерной ультразвуковой интерферометрии.

6.Даны рекомендации по построению методики ультразвукового контроля монокристаллов.

7.Предложен метод оценки чистоты монокристаллов металлов на основе измерения эллиптичности поперечного ультразвука.

8.Исследованы магнитоакустические эффекты в ферромагнитных металлах в квазистатической области частот.

9.Изучены упругие волны в неоднородной пластине аустенитной стали. Практическая значимость. Показана возможность учета анизотропии

материала для повышения точности и достоверности ультразвукового контроля изделий, материал которых может быть представлен в модели трансверсальноизотропной среды. Доказана принципиальная возможность построения методов акустического контроля, основанных на использовании магнитоакустических явлений. Сформулированы принципы построения аппаратуры, предназначенной для УЗ контроля анизотропных сред.

Проведены количественные оценки влияния магнитной поляризации на ультразвуковые характеристики стали аустенитного класса, содержащей ферритную фазу. Явления преобразования поляризации в намагниченной среде могут быть использованы при разработке методов акустического контроля фазового состава сталей.

Разработана методика анализа акустических полей в монокристаллах с целью выявления дефектов, выходящих на поверхность изделия. Эта методика может быть использована для контроля изделий из монокристаллов металлов и сплавов: лопаток турбин, криогенных токовводов, материалов и изделий электронной промышленности.

Результаты расчетов упругих волн в пластине аустенитной стали могут быть использованы при разработке методик ультразвукового контроля в химическом машиностроении и в атомной промышленности.

Положения, выносимые на защиту.

1.Построение теории распространения упругих волн в намагниченной трансверсально-изотропной среде.

2.Разработка модели трансверсально-изотропной среды применительно к сталям аустенитного класса.

3.Результаты теоретического и экспериментального исследования потока энергии, лучевых скоростей и структуры акустических полей в анизотропных средах.

4.Расчеты преобразования типов волн, добавок к фазовым скоростям и к вектору лучевой скорости, возникающих за счет действия магнитной поляризации среды.

5.Результаты экспериментов, показавшие возможность применения магнитоакустических явлений в акустическом контроле.

6.Методика определения времени релаксации электронов в чистых металлах.

9

7.Результаты анализа прохождения упругих волн через пластину неоднородной трансверсально-изотропной среды.

8.Использование вейвлетного преобразования для анализа ультразвуковых полей и выявления дефектов в монокристаллах.

Реализация результатов работы - использованы при разработке программного обеспечения для ультразвуковых приборов и установок НПО «Интротест», Фраугоферовского института неразрушающих методов контроля, ПО «Октябрь».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всесоюзных конференциях по акустоэлектронике и квантовой акустике, XII - Саратов, 1983г., XIV - Кишинев, 1989г.; III межотраслевой конференции "Неразрушающие методы контроля изделий из полимерных материалов", Туапсе, 1989г.; XII Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы контроля" Свердловск, 1990г, VI Национальном конгрессе по механике, Варна, 1989г.; XI Всесоюзной акустической конференции, Москва, 1991г.; XIV научно-технической конференции по ультразвуковому контролю, СПетербург, 1992г.; XIII научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля», С.Петербург, 1993г.; Германороссийском WTZ семинаре, Саарбрюккен, 1994г.; 6 Conference Europeenne sur Ies Controles Non Destructifs, Nice, France, 1994г.; VI Российской научно-технической конференции «Средства неразрушающего контроля» Саратов, 1995г.; XIV и XVI российских научно-технических конференцях «Неразрушающий контроль и диагностика», Москва 1996г., С.Петербург, 2002г.; I Всероссийском научнотехническом семинаре «Метрологическое обеспечение в области неразрушающего контроля» Москва, 1999г.; Международной конференция Ultrasonics International'99 jointly with 1999 World Congress on Ultrasound, Копенгаген, 1999г.; Уральских региональных конференциях "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами", XIX - Уфа, 2000 г.; XX - Екатеринбург, 2001 г., ХХII - Челябинск, 2004г., 6.Internationale Schienenfahrzeug-tagung,Dresden,2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 печатные работы, в том числе 2 монографии, одна из которых переведена на английский язык и издана в Германии, одно учебно-методическое пособие, 25 статей (в том числе 25 в рецензируемых изданиях и в зарубежных журналах) и 16 публикаций в трудах отечественных и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 199 страницах, она содержит 47 рисунков и 2 таблицы.

10

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится постановка задач исследования, проведен анализ современного состояния развития акустических методов контроля анизотропных и неоднородных сред, сформулированы положения, выносимые на защиту, и дана характеристика диссертационной работы.

В первой главе изложены сведения из теории упругих волн в той части, которая необходима для понимания физической сущности процессов, происходящих в анизотропных безграничных средах. За исключением раздела 1.1.4, глава носит, в основном, обзорный характер. В качестве примера рассмотрено распространение волн в трансверсально-изотропной среде. Современная теория распространения упругих волн в неограниченной анизотропной среде изложена в варианте, подходящем для дальнейшего применения в акустическом неразрушающем контроле. Рассмотрены методы решения задачи Кристоффеля. На базе практически важной модели трансверсально-изотропной среды решена задача Кристоффеля и получены законы дисперсии собственных упругих волн. В этой же модели выведены простые аналитические формулы для расчета групповой скорости волн. Полученные оригинальные результаты проиллюстрированы численными расчетами для материалов с аустенитной структурой.

Вторая глава посвящена изучению акустических полей в упругоанизотропных средах. Изучение ультразвуковых полей стало одним из перспективных направлений развития акустического контроля. Лазерное детектирование ультразвуковых полей - это современный метод исследования материалов, выявления и визуализации дефектов. Этим методом могут быть обнаружены как внутренние, так и поверхностные нарушения сплошности и неоднородности структуры. Лазерное детектирование успешно применяется для определения компонент поля упругих смещений. В этой главе рассматриваются методы детектирования акустических полей и методы обработки сигналов, разрабатываемые с целью повысить достоверность выявления дефектов в анизотропных средах, в частности, в монокристаллах. Сначала рассмотрены особенности выявления поверхностных дефектов методом лазерного детектирования, затем описано применение современных методов фильтрации акустических сигналов.

Экспериментальное исследование структуры акустических полей выполнено на лазерном ультразвуковом интерферометре фирмы Polytec. Акустические поля создавались пьезопреобразователями продольных и поперечных волн с резонансными частотами 5 и 10 МГц. Программное обеспечение, построенное на базе программного комплекса LabView5.0, позволяет наблюдать временную зависимость амплитуды в любой выбранной точке поля сканирования (развертка типа А). Кроме этого можно анализировать развертку типа В (В-скан), то есть совокупность временных зависимостей амплитуды, измеренных вдоль выбранного направления (либо вдоль, либо перпендикулярно направлению сканирования). Далее, распределение амплитуды сигнала интерферометра по полю сканирования, С-скан,