СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ
METHOD OF RESILIENT PROPERTIES ULTRASONIC MEASUREMENT

Область техники
Изобретение относится к способу неразрушающего испытания и, в частности, к способу неразрушающего определения упругих свойств изотропного металлического материала при помощи ультразвуков.
Уровень техники
Существует постоянная потребность в наличии способов, позволяющих определять упругие свойства, такие как модуль Юнга или коэффициент Пуассона, деталей, выполненных из однородных и изотропных материалов. В частности, существует потребность в способе, относящемся к детали с изогнутыми наружными поверхностями. Определение модуля Юнга при помощи ультразвуковых волн известно для плоских деталей, но для сложных деталей, когда наружные поверхности изогнуты, очень трудно правильно разместить передатчики и приемники для получения надежных результатов.
Известным средством для оценки продольного модуля упругости, то есть модуля Юнга сложных деталей, является выполнение образцов в виде гантели, которую помещают между зажимами машин для растяжения. Однако выполнение образцов в виде гантелей не всегда возможно и может быть очень затратным для некоторых материалов. Кроме того, часто форма образца может намного отличаться от формы используемой детали. В зависимости от способа изготовления деталей измерение их модуля упругости не всегда может быть надлежащим.
Заявитель поставил перед собой задачу разработать способ неразрушающего контроля сложных деталей, в частности, имеющих изогнутые формы, и предлагает применять ультразвуковые волны для определения упругих свойств, таких как продольный модуль упругости и коэффициент Пуассона.
В документе US 3416365 описан метод определения упругих свойств детали с изогнутой поверхностью и заданной толщины, при помощи средства измерения продольных и поперечных волн, проходящих через материал, толщина которого известна, однако в этом документе не указано применение этого метода для детали, имеющей две толщины в разных направлениях.
Сущность изобретения
1
1
2
2
Согласно изобретению, способ определения упругих свойств детали с изогнутой поверхностью, включающий в себя излучение пучков ультразвуковых волн в направлении точки падения на поверхность детали таким образом, чтобы генерировать передачу волн в упомянутой детали, отличается тем, что, зная толщину d детали в упомянутой точке падения в первом направлении D, перпендикулярном к касательной плоскости в этой точке, и толщину d во втором направлении D, образующем определенный угол α относительно первого направления, осуществляют
1
1
- измерение времени t, необходимого передаваемым продольным волнам для прохождения в детали расстояния d от упомянутой точки падения,
2
2
- измерение времени t, необходимого передаваемым поперечным волнам для прохождения в детали расстояния d от упомянутой точки падения.
L
1
1
T
2
2
Модуль Юнга и/или коэффициент Пуассона материала определяют на основании продольной V=d/t и поперечной V=d/t скоростей.
Предпочтительно пучок ультразвуковых волн излучают через соединительную текучую среду, такую как вода.
Предпочтительно способ применяют для детали, выполненной из изотропного материала.
1
2
3
4
2
В частности, способ применяют для сферической детали, при этом dсоответствует диаметру сферы и d соответствует длине хорды, образующей упомянутый угол α. Например, способ предпочтительно применяют для исследования металлических шариков, в частности, из нержавеющей стали; он представляет также интерес для шариков из керамического материала, такого как SiN, SiC или ZrO, которые используют в подшипниках качения. Однако способ не ограничивается сферической деталью и может применяться для более сложных форм, если есть возможность производить компьютерное моделирование, позволяющее математически предсказать путь ультразвуковых волн внутри детали.
Следует напомнить, что волны, передаваемые в детали, определены относительно плоскости границы раздела между деталью и внешней средой, которая служит отсчетом для определения поляризации поперечных и продольных волн. Эти волны поляризуются в сагиттальной плоскости, перпендикулярной к плоскости границы раздела, при этом поперечные волны генерируются при передаче продольных волн через границу раздела.
L
T
Известно, что упругие свойства металлического образца оказывают влияние на прохождение продольных и поперечных волн и на их скорость, что, в свою очередь, позволяет оценить упругие свойства на основании этих скоростей. Механика малых деформаций связывает скорости распространения продольных V и поперечных V волн с модулем Юнга Е и с коэффициентом Пуассона ν.
Для этого существуют следующие отношения:
T
L
T
L
T
2
2
2
2
2
E=ρV (3V -4V )/V -V )
L
T
L
T
2
2
2
2
ν=0,5(V -2V )/V -V )
L
T
Таким образом, вычислив скорости распространения V и V, получают параметры, позволяющие вычислить модуль Юнга и коэффициент Пуассона, и на их основании - другие характеристики материала.
Краткое описание фигур
Изобретение, его другие задачи, подробности, признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания детального описания вариантов выполнения изобретения, представленных исключительно в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематичная иллюстрация в режиме отражения положения ультразвукового преобразователя относительно анализируемой сферы и два последовательных отражения продольной ультразвуковой волны от сферы.
Фиг. 2 - след на осциллоскопе изменения сигнала, производимого преобразователем в случае, показанном на фиг. 1, с эхо-сигналом на границе раздела и с отражением от дна сферы.
Фиг. 3 - схема, представленная не в масштабе, показывающая два последовательных положения излучающего преобразователя для генерирования поперечной волны, распространяющейся под углом 45° в направлении принимающего преобразователя, расположенного сбоку относительно передатчика на сфере.
Фиг. 4 - реализация монтажной схемы с использованием фокусированных излучающего и принимающего преобразователей.
Фиг. 5 - след сигнала, излучаемого излучающим щупом и отраженного от поверхности сферы.
Фиг. 6 - след сигнала, проходящего от излучающего преобразователя в принимающий преобразователь.
Фиг. 7 - изменение вычисляемой скорости поперечной волны в зависимости от угла падения.
Подробное описание изобретения
Для иллюстрации изобретения способ применили для исследования сферы из нержавеющей стали. В представленном примере сфера имеет следующие характеристики:
диаметр = 19,050 мм
масса = 28,1865 г
3
плотность ρ=7.789,2 кг/м
- Измерение скорости распространения продольной волны
Преобразователь 2 погружают в соединительную текучую среду 3, которая является водой, вместе со сферой 1. Щуп, такой как Panametric V322-6 на 10 МГц, сфокусированный на 6 дюймов, электрически соединен с не показанным пультом управления и приема сигналов. Он размещен в режиме излучения-приема и ориентирован по оси, проходящей через центр сферы.
L1
L2
На основании траектории амплитуды произведенной ультразвуковой волны в зависимости от времени, как показано на фиг. 2, отмечают время t ее распространения между преобразователем 2 и границей раздела на поверхности сферы, с одной стороны, и время t распространения между преобразователем 2 и дном сферы с точки зрения преобразователя.
При этом на траектории, показанной на фиг. 2, отмечают следующие значения времени распространения:
L1
t=205,517 мкс
L2
t=211,897 мкс
L
Таким образом, скорость распространения V продольной волны является отношением двукратного диаметра сферы к времени прохождения:
L
L2
L1
-3
-6
V=2 х диаметр/(t-t), то есть в данном примере 38,10.10 /6,380.10=5.971,8 м/с.
T
- Измерение скорости V поперечной волны
T
2
1
Используют принцип распространения поперечной волны V в направлении D, образующем данный угол β относительно направления D передаваемой продольной волны, посредством модальной конверсии согласно принципу законов Снелла/Декарта.
2
Определяют правильный угол падения θ, вызывающий распространение поперечной волны, образующей угол β, и время прохождения t в сфере для этой поперечной волны. Выбранный угол равен 45°.
2
R
m
R
m
Способ описан со ссылками на фиг. 3; на этой фигуре датчики и шарик показаны не в масштабе, при этом шарик показан увеличенным по сравнению с датчиками. Для измерения t измеряют отдельно время t передачи волн через соединительную текучую среду, затем время передачи t одновременно в детали и в соединительной текучей среде, затем скорректированное в случае необходимости время t вычитают из времени t.
2
Излучающий преобразователь 2 помещают вместе со сферой в соединительную текучую среду, принимающий преобразователь 4, такой как преобразователь под названием I3-1004-R 10 МГц 1′′ ⌀ 0,250′′, располагают сбоку на пересечении направления D со сферой.
2
2
2
1/2
Таким образом, скорость распространения поперечной волны является отношением расстояния d, разделяющего точку падения ультразвуковой волны и пересечение со сферой в этом направлении D:d=R.2.
R
На первом этапе измеряют точное время прохождения t волны для данного угла θ от поверхности датчика до нормали к сфере. Соединительная текучая среда позволяет избежать наложения друг на друга эхо-сигналов.
Переведя преобразователь в режим излучения-приема, определяют максимум амплитуды отраженного сигнала. Этот максимум амплитуды показывает, что сигнал является нормальным к сфере для рассматриваемого угла θ. Поскольку мы находимся в режиме излучения/приема, время прохождения составляет половину от времени, измеренного на экране осциллоскопа.
Затем датчик перемещают горизонтально, чтобы перевести пучок к вершине сферы. Перемещение вычисляют в зависимости от радиуса R сферы R.tgθ.
m
На этом втором этапе измеряют время прохождения t волны до принимающего преобразователя 4.
2
2
Скорость поперечной волны является отношением расстояния d, проходимого этой волной, к времени t, необходимому для его прохождения. Необходимо корректировать измерение времени прохождения вследствие того, что, поскольку преобразователь был перемещен горизонтально, волна проходит более короткое расстояние.
А
Коррекцию пути А для времени t можно записать следующим образом:
A
вода
вода
t=R.(1-cosθ)/cosθ.V, где V является скоростью распространения в воде.
m
R
A
2
2
При этом измеренное время t является суммой времени (t-t), соответствующего пути от преобразователя до поверхности сферы и времени t пути вдоль хорды d.
2
2
m
R
A
Таким образом, время пути t равно: t=t-(t-t).
2
T
2
2
Скорость поперечной волны является отношением пути d=R√2 к времени, необходимому для прохождения этого расстояния: V=d/t.
Для угла θ, равного 19°, получают следующие значения (измерение времени по точному цифровому осциллоскопу Ins):
вода
V=1486,5 м/с
R
2.t=202,63 мкс (фиг. 5)
m
t=105,02 мкс (фиг. 6)
перемещение: R.tgθ=3,279 мм
A
вода
t=R.(1-cosθ)/cosθ.V=0,3692 мкс
d=√2.R=13,470 мм
T
V=3 306,2 м/с
Значение 19° угла θ является оценочным. Для получения нормального значения угла θ осуществляют измерения вокруг этого оценочного значения. Таким образом, вышеуказанную операцию возобновляют для углов θ, находящихся в пределах от 17° до 23°.
Отмечают вычисленные значения скоростей
T
при 17° V=3 323,7 м/с
T
при 18° V=3 326,1 м/с
T
при 19° V=3 306,2 м/с
T
при 20° V=3 284,4 м/с
T
при 21° V=3 304,8 м/с
T
при 22° V=3 302,3 м/с
T
при 23° V=3 314,5 м/с
Кривая, полученная и показанная на фиг. 7, имеет минимальную точку скорости; скорость, соответствующая минимальной точке, связана с наиболее коротким путем по отношению к расстоянию, разделяющему два преобразователя.
T
Таким образом, V=3 284,4 м/с.
Значения, полученные для скоростей передачи звуковой волны, позволяют вычислить характеристические параметры детали.
- Вычисление механических характеристик стального шарика
3
ρ=7 789,2 кг/м
L
V=5 971,8 м/с
T
V=3 284,4 м/с
T
L
T
L
T
2
2
2
2
E=ρV2(3V -4V )/(V -V )=215,6 ГПа
L
T
L
T
2
2
2
2
ν=0,5(V -2V )/(V -V )=0,283
3
4
- Вычисление механических характеристик шарика из нитрида кремния SiN
3
ρ=3 166,5 кг/м
L
V=11 202 м/с
T
V=6 041,8 м/с
T
L
T
L
T
2
2
2
2
E=ρV2(3V -4V )/(V -V )=299,3 ГПа
L
T
L
T
2
2
2
2
ν=0,5(V -2V )/(V -V )=0,295
Необходимо отметить, что для обеспечения точного измерения следует использовать принимающий преобразователь 4 с очень коротким фокусным расстоянием и, следовательно, небольшим радиусом кривизны, что позволяет шарику располагаться по центру таким образом, чтобы его ось идеально совпадала с геометрической осью преобразователя, и на фиг. 4 показана предпочтительная конфигурация.