УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
ULTRASONIC METHOD OF DETERMINING INTERNAL MECHANICAL STRESS IN STRUCTURAL MATERIALS

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединений различных изделий ответственного назначения, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известен ультразвуковой способ, использующий ультразвуковой преобразователь, генерирующий звуковую волну, через две акустические линзы, проектирующие ультразвуковые волны, рассеянные внутренними частицами объекта, на слой жидкости голографического детектора, фиксирующий возникающую ультразвуковую голограмму, визуально наблюдаемую при освещении поверхности жидкости когерентным источником света через третью оптическую линзу. Дифракционная картина первого порядка (или более высокого порядка) наблюдается посредством видео камеры и дисплея [патент США №6860855, МПК А61В 8/14, 2005 г.].
Известный способ получает дифракционную картину исследуемого материала, которая не позволяет измерить скорость ультразвука внутри исследуемого материала, что делает его невозможным для определения внутренних напряжений в конструкционных материалах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в исследуемый объект на нагруженном и ненагруженном участках или на ненагруженном аналоге исследуемого изделия вводят импульсы ультразвуковых колебаний, например продольных, принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают их, а по сумме и разности определяют величину внутренних механических напряжений, причем на тех же участках дополнительно вводят импульсы ультразвуковых колебаний другого типа, например поперечных, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, рассчитывают величину σ механических напряжений [патент РФ №2057329, МПК G01N 29/00, 1996 г.].
В известном способе регистрируются импульсы ультразвуковых колебаний датчиками, находящимися на внешней поверхности исследуемого изделия на расстоянии десяти и более сантиметров, что не позволяет измерить скорость ультразвука во внутренних областях изделия и определить локальные механические напряжения.
Задачей предлагаемого способа является получение с более высокой точностью определения скорости ультразвука, а следовательно, и нахождения внутренних механических напряжений в исследуемом материале.
Достигается это тем, что в ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений в конструкционных материалах, заключающемся в пропускании импульсов ультразвуковых колебаний через исследуемый образец, фиксировании прошедших сигналов с учетом измерения разности скоростей и времен в напряженном состоянии исследуемого образца, согласно изобретению импульсы ультразвуковых колебаний пропускают вдоль исследуемого образца, определяют области напряженного состояния исследуемого образца, устанавливают в этом месте сферический сегмент, выполненный из того же материала что и исследуемый образец, затем фокусируют сигналы ультразвуковых колебаний системой линз, помещенных в жидкость, одна из которых обращена к исследуемому образцу, другая - к пьезоэлектрическим датчикам, перемещают линзу, обращенную к исследуемому образцу в направлении, перпендикулярном главной акустической оси таким образом, чтобы ее фокальная плоскость перемещалась по всей поверхности исследуемого образца, перемещают вторую линзу вдоль акустической оси так, чтобы ее фокальной плоскость пересекалась с плоскостью, где находятся регистрирующие датчики, регистрируют прошедшие сигналы датчиками, измеряют промежуток времени и скорость ультразвуковых сигналов, рассеянных внутренними областями исследуемого образца и определяют механическое напряжение по формуле σ=f(V),
где σ - механическое напряжение, Па;
f - функция зависимости механического напряжения от скорости;
V - скорость ультразвука, м/с.
Наличие двух датчиков, находящихся в фокальной плоскости второй акустической линзы от главной акустической оси линз, позволяет измерить время прохождения ультразвукового импульса между двумя внутренними областями исследуемого материала и определить локальное внутреннее механическое напряжение в конструкционном материале.
Сущность способа поясняется графически.
На фиг.1 изображена схема установки по определению внутренних механических напряжений в конструкционных материалах, состоящая из исследуемого образца материала 1, ультразвукового преобразователя 2, сферического сегмента 3, двух собирающих, перемещаемых, акустических линз 4 и 5, имеющих общую главную акустическую ось 6, и двух пьезоэлектрических датчиков 7 и 8, регистрирующих ультразвуковые колебания. Все элементы установки помещены в жидкость 9. Импульсы ультразвуковых колебаний 10, генерируемые ультразвуковым преобразователем 2 в образце, распространяют в направлении, перпендикулярном главной акустической оси линз 6. Указанная система позволяет получать ультразвуковые сигналы двух напряженных областей 11 и 12 исследуемого образца, находящихся в фокальной плоскости 13 первой линзы 4, в фокальной плоскости 14 второй линзы 5, в которой расположены пьезоэлектрические датчики 7 и 8.
Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений в конструкционных материалах осуществляют следующим образом. Импульсы ультразвуковых колебаний 10 в исследуемом образце 1 генерируют ультразвуковым преобразователем 2 и пропускают в направлении, перпендикулярном общей главной акустической оси 6 линз 4 и 5. Перемещают первую акустическую линзу 4, обращенную к исследуемому образцу, вдоль главной акустической оси 6 таким образом, чтобы ее фокальная плоскость 13 перемещалась по всей поверхности исследуемого образца. Импульсы ультразвуковых колебаний рассеиваются внутренними напряженными областями 11 и 12 исследуемого образца 1, находящимися в фокальной плоскости первой линзы 4. Поскольку скорость ультразвуковых колебаний в исследуемом образце значительно больше, чем ее скорость в жидкости, передающей ультразвуковые колебания, то на границе образца материала 1 и жидкости 9 указанные колебания испытывают значительное преломление. Для того чтобы уменьшить углы преломления ультразвуковых колебаний на поверхность исследуемого образца 1 накладывают сферический сегмент 3, изготовленный из этого же материала. При этом получаемые ультразвуковые сигналы эхо проходят через сферический сегмент 3. Ультразвуковые сигналы эхо пропускают через первую 4 и вторую 5 линзы, расположенные в жидкости 9. Перемещают вторую линзу 5 вдоль главной акустической оси 6 так, чтобы на ее фокальной плоскости 14 находились регистрирующие датчики, например, пьезоэлектрические. В жидкости могут распространяться только продольные волны. Поэтому пьезоэлектрические датчики 7 и 8 регистрируют сигналы эхо от продольной ультразвуковой волны. Промежуток времени между ультразвуковыми сигналами эхо измеряют с помощью электронного устройства. По времени прохождения ультразвукового импульса между двумя напряженными областями 11 и 12 исследуемого образца вычисляют скорость продольной ультразвуковой волны и определяют внутреннее механическое напряжение.
Для определения зависимости механического напряжения σ от скорости ультразвука V используется исследуемый образец материала, имеющего форму цилиндра, при растяжении или сжатии которого в нем возникают однородные напряжения. Из экспериментальных данных определяют функцию зависимости напряжения от скорости V. По найденным значениям скоростей V определяют локальные механические напряжения внутри конструкции, подверженной нагрузками. σ=f(V).
Применение предлагаемого способа позволяет определять также внутренние локальные механические напряжения, возникающие при термической обработке любых материалов, например керамики, композиционных материалов, стекла и т.д.