Ультразвуковой мониторинг микродефектов в металле

УДК 004.925.84

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МОНИТОРИНГ МИКРОДЕФЕКТОВ

В МЕТАЛЛЕ

В. А. Ерофеев, С.С. Миллер

В работе рассмотрены возможности использования эхо-метода ультразвукового контроля для оценки наличия микроскопических дефектов в металлических изделиях. Для идентификации характеристик акустического сигнала с характеристиками дефекта и определения параметров контроля использовано компьютерное моделирование прохождения звуковой волны через изделие. Приведён пример решения волнового уравнения в случае эхо-метода ультразвукового контроля наличия в металле зон пережога. Показано влияние наличия таких зон и его расположения на характеристики сигнала приёмника.

Ключевые слова: ультразвуковой контроль, эхо-метод, компьютерное моделирование, пережог металла.

Для решения задачи контроля состояния материалов и широкое распространение получили ультразвуковые системы различного типа [1].

Эхо-метод — наиболее распространенный: резонатор генерирует колебания (генератор) и он же принимает отражённые от дефектов сигналы (приемник) [2] .

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн звукового диапазона, однако человеческим ухом они уже не воспринимаются. Диапазон их частот лежит от 16-20 кГц до 1 ГГц. В связи с малой длиной волны распространение ультразвуковых волн существенно зависит от молекулярной структуры среды. Это позволяет, измеряя скорость распространения и затухание волн, судить о свойствах среды, определять наличие неоднородностей и дефектов [3].

Пережог стали происходит в том случае, если она была нагрета до температуры, близкой к температуре начала плавления. Характеризуется появлением на границах зерен оксидных включений или оболочек, сильно снижающих прочность и пластичность металла. Излом такой стали камневидный. Пережог может быть также вызван оплавлением тончайших прослоек (например, из примесей) по границам металлических кристаллов зерна (рис. 1, в), поэтому сталь становится очень хрупкой; пережог является неисправимым браком.

Известно [3], что прохождение ультразвуковых колебаний через металл зависит от размера кристаллических зерен, напряженного состояния и однородности распределения акустических свойств. При пережоге происходит плавление и окисление границ зерен, поэтому акустические свойства пережжоного металла отличаются от свойств исходного.

Можно предположить, что окисление границ зёрен при наличии

внутренних напряжений вызывает множество микротрещин, способных как поглощать энергию звуковой волны, так и отражать её.

При изучении возможности ультразвукового контроля для выявления пережжоных изделий выполнено компьютерное моделирование прохождения звуковых волн через металлическую пластину, рис. 2, в которой рассеяно множество мелких зон, акустические свойства которых отличаются от свойств основного металла. Моделировали эхо-метод, при котором источник является и приёмником сигнала, отражённого от противоположной поверхности стенки изделия.

Рис. 1. Микроструктура: а - доэвтектоидная сталь, недогретая при закалке - мартенсит и феррит; б - сталь, перегретая при закалке - крупноигольчатый мартенсит; в - сталь, пережжоная при закалке - образование жидкой фазы (быстрорежущая сталь, нагрев до 1320...1330 оС

Рис. 2. Координаты и краевые условия решения волнового уравнения для оценки влияния пережога на распространение ультразвука

в изделии

Решение волнового уравнения позволяет воспроизвести прохожде-

212

ние звуковой волны, её отражение от множества дефектов и сигнал, который возникает в источнике R при приёме отражённого сигнала. Решали волновое уравнение в виде:

э 2и

аТТ (^ 2л л2тт л2тт Л Г

Ж 2

с 2

э2и э и э и

----г—I------“—I------~

Эх Эу Эх2

+ п

V

эи эи эи

--------1---------1--------

Эх Эу Эх

V " ^ " У

где и- смещение точки металла при прохождении волны, ? - время; х, у -координаты; с2, V - скорость и коэффициент затухания волны в металле.

Источник Я описан как плоский участок верхней поверхности заданной протяжённости ± хя, ± уя, х = 0, на котором задано смещение и0 в виде синусоидального импульса длительностью т и заданной мощностью Р

Р

и о =----), 0 < ? <т,

оБ

где (О- частота ультразвуковых колебаний.

Граничные условия: на верхней и нижней поверхностях листа задано условие отражения = 0, в бесконечности по координатам х, у при-

Эх

нято и=0. Так как численное решение для бесконечного листа невозможно и его выполняют в ограниченном пространстве, то на границах области решения х = ±хтах, у = ±утах использована линейная интерполяция ре-

Э2и 0 Э2и 0

шения на границу, —— = 0, —— = 0.

Эх2 Эу2

Дефекты внутри металла описаны как зоны с размерами, не превышающими длины волны ультразвуковых колебаний, случайным образом рассеянных по объёму металла.

Уравнение (1) было решено методом конечных разностей для случая стальной пластины толщиной 10 мм, на которой располагался пьезокристаллический элемент, контактирующий с листом по плоскости размером 6х6 мм. Использовали размерную сетку с шагом 0.1 мм. Модуль упругости приняли Е = 200 Гпа, плотность 7800 кг/м3, соответственно скорость звука с = 5064 м/с. Время прохождения звука сквозь лист 1;0 = 210-6 с. Коэффициент затухания звука в металле без дефектов был принят равным п = 0.005 с-1.

Дефекты внутри металла моделировали как отдельные контрольные объёмы разностной сетки, которые имели повышенное поглощение энергии звуковой волны, т.е. повышенный коэффициент внутреннего трения. Дефектные объёмы были неупорядоченно распределены по зоне моделирования. Доля дефектных объёмов составляла 0,3% от общего объёма зоны моделирования. Степень увеличения коэффициента поглощения в отдельных дефектных объёмах принята различной и варьировалась по случайно-

213

му закону в интервале 1...15, т.е. V = 0.005...0.075 с-1.

На рис. 3 показано решение волнового уравнения (1) при отсутствии дефектов структуры металла в виде распределения зон сжатия и растяжения в разные моменты времени после возбуждения звуковых волн источником колебаний Я. При достаточно большой частоте колебаний в металле возникает пакет волн, длина которых существенно меньше размеров плоскости источника, рис.3, а. Этот пакет перемещается перпендикулярно плоскости источника к противоположной поверхности листа. Пакет волн отражается от этой поверхности, рис.3, б. Если плоскости источника Я и противоположной поверхности листа параллельны, то отражённый пакет волн движется к источнику, рис.3, в. Колебания (деформации сжатия - растяжения) в плоскости источника Я существуют только при возбуждении колебаний. В дальнейшем при движении пакета волн от источника к противоположной поверхности листа, отражении и возвращении пакета к источнику существенных колебаний в плоскости источника нет.

Рис. 3. Результат моделирования прохождения звуковой волны через сталь толщиной 10 мм при отсутствии дефектов: а, б, в) распределение деформации в разные моменты времени, г) изменение средних значений деформаций сжатия-растяжения на поверхности источника (приёмника) колебаний Я. 1-вводимый сигнал, 2-принятый отражённый сигнал

На рис.4. показано решение волнового уравнения (1) при наличии множества дефектов структуры металла малого размера (порядка 0.1 мм), случайно распределённых в объёме металла.

214

Рис. 4. Результат моделирования прохождения звуковой волны через сталь толщиной 10 мм при наличии множества неупорядоченных мелких (0.1 мм) дефектов: а, б, в - распределение деформации в разные моменты времени (0.5 и, 1.25 и, 210); г - изменение средних значений деформаций сжатия-растяжения на поверхности источника (приёмника) колебаний Я: 1-вводимый сигнал; 2-принятый отражённый сигнал

Отличие металла в зоне дефекта состоит в значительном коэффициенте поглощения энергии волны (большом значении коэффициента внутреннего трения). Результат решения показывает, что наличие таких дефектов существенно изменяет характер распространения волны, рис. 4а,б,в. Около дефектов формируются собственные зоны сжатия и растяжения и формируются множество волн отражения, Кроме того дефекты оказывают экранирующее действие для основной волны, которая огибает каждый дефект. В целом дефекты рассеивают волну, распространяющуюся от источника колебаний, и частично отражают её. Множество волн, отражённых от разных дефектов, фиксируются приёмником Я, рис.4г. Сигнал приёмника представляет собой результат случайного сложения с преобладающей частотой исходного гармонического сигнала, который существует непрерывно с момента возбуждения звука в металле. Даже при относительно небольшом объёме дефектов в металле (0.3%) их рассеивающее действие достаточно для того, чтобы полностью погасить волну, отражённую от противоположной поверхности пластины.

Полученные результаты показали, что наличие множества мелких

дефектов, рассеянных в объёме металла, могут быть выявлены по возникновению акустического шума в приёмнике, который возникает сразу после подачи возбуждающего импульса, а также по значительному ослаблению эхо-сигнала.

В данной работе рассмотрен только эхо-метод ультразвукового контроля для оценки наличия микроскопических дефектов в металле изделия, но полученные результаты указывают на возможную эффективность теневых методов ультразвукового контроля. Неясными остаются только акустические характеристики микродефектов, возникающих при пережоге. Они могут быть определены только экспериментально на основе данных прохождения звуковых волн через металл.

При допущении, что пережог металла создаёт на границах зёрен микродефекты, поглощающие энергию звука, выполнили исследование прохождения ультразвуковой волны через металл на основе численного решения волнового уравнения.

Показано, что даже при малой (0.3%) доле объёма, занимаемой дефектами в металле, наблюдается сильное рассеяние и поглощение энергии ультразвуковой волны.

Наличие множества микродефектов, рассеянных в объёме металла и поглощающих энергию звука, можно обнаружить при эхо-методе ультразвукового контроля по появлению непрерывного шумового сигнала сразу после завершению возбуждающего импульса, а также по значительному ослаблению интенсивности эхо-сигнала.

Список литературы

1. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Стандарты, 1982. 178 с.

2. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3.: Справочник. В 7-и книгах / Под ред. Клюева В.В. М. Машиностроение, 2004.

3. Соловьянова И.П. Теория волновых процессов: акустические методы: учеб. пособие / И.П. Соловьянова, С.Н. Шабунин. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 142 с.

4. Скорость распространения ультразвука в поликристаллах А1 с разным размером зерна / Зуев Л.Б., Семухин Б.С., Бушмелева К.И., Зари-ковская Н.В. // ФММ. 2000. Т.89. №4.

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, доц., уа егоИ’еу'сипаИ.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Миллер Сергей Сергеевич, магистрант, $ег2е\тШег92(@та11. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ULTRASONIC MONITORING OF MICRODEFECTS IN METAL V.A. Erofeev, S.S. Miller

The paper considers possibilities of using the echo ultrasonic testing method to determine the presence of microscopic imperfections in metal products. To identify the characteristics of the acoustic signal with the characteristics of the defect and determination of the control parameters used computer simulation of the sound wave through the article. An example of solving the wave equation in the case of the echo ultrasonic testing method presence in the metal zones of burnout. Shows the effect of the presence of such zones, and its location on the characteristics of the receiver.

Key words: ultrasonic inspection, echo technique, computer modelling, пережог

metal.

Erofeev Vladimir Aleksandrovic, candidate of technical science, docent, va_erofeev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Miller Sergey Sergeevic, undergraduate, sergeymiller92@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 658.562

СТРУКТУРИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ КАЧЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН

В.Ю. Анцев, Е.А. Чернецова

Рассмотрение методики структурирования функций качества в процессе проектирования грузоподъемных машин с целью согласования возможностей предприятия с требованиями заказчиками и определения взаимовыгодных условий выполнения контракта.

Ключевые слова: грузоподъемные машины, маркетинговые исследования, структурирование функций качества, экспертная оценка.

В соответствии с современными взглядами на качество, производитель всё своё внимание должен уделять удовлетворению запросов и пожеланий потребителя. Качество оценивается только потребителем и поэтому должно быть поставлено в зависимость от его нужд и пожеланий. Это значит, что потребитель является участником процесса, осуществляемого производителем. Определение нужд потребителя является первым шагом, который необходимо предпринять для того чтобы включить потребителя в процесс создания высококачественного продукта. Для определения нужд потребителей необходимо исследовать рынок и реализовать рыночные