Акустический способ определения упругих констант токопроводящих твёрдых тел
ACOUSTICAL METHOD OF DETERMINATION OF ELASTIC CONSTANTS OF CURRENT-CONDUCTING SOLIDS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к способам определения упругих констант (модулей упругости Ламе μ, λ; коэффициента сдвига G; коэффициента Пуассона ν; модуля продольной упругости Юнга Е и модуля объемной упругости К) токопроводящих твердых тел акустическими методами при одностороннем бесконтактном доступе, и предназначено для использования в авиакосмической, машиностроительной, металлургической, нефтехимической и других отраслях промышленности, в энергетике, на трубопроводном и железнодорожном транспорте.
Известны акустические (ультразвуковые) расчетно-экспериментальные способы определения упругих констант твердых тел (модуля упругости Юнга, коэффициента Пуассона и других), предназначенные для оценки состояния конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе:
1. Графкина М.В., Нюнин Б.Н. Исследование влияния технологии и химического состава сплавов на экологические и физико-химические свойства. Материалы междунар. научно-техн. конф. ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». С. 35-37.
2. Патент РФ №2289114 С1. Бадамшин И.Х. Способ определения коэффициента Пуассона монокристаллов. Опубликован 10.12.2006. Бюл. №34.
3. Патент РФ №2334981 Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Алехин С.Г., Козлов В.Н. Электромагнитно-акустический преобразователь. Опубликован 27.09.2008. Бюл. №27.
4. Патент РФ №2006853. Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г., Абдуллаев А.И. Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел. Опубликован 30.01.1994. Эти способы имеют существенные недостатки, ограничивающие область их применения.
3
Известный расчетно-экспериментальный способ определения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона стержневых и литых деталей [1. Графкина М.В., Нюнин Б.Н. Исследование влияния технологии и химического состава сплавов на экологические и физико-химические свойства. Материалы междунар. научно-техн. конф. ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». С. 35-37] заключается в изготовлении образца в виде толстостенного кольца с применением формовочных смесей и режимов заливки в соответствии с технологией изготовления реальной литой стержневой детали. Образец подвешивают через центральное отверстие на упругой подвеске (резиновый шнур - подобная упругая подвеска практически не оказывает влияния на резонансные формы колебаний образца), а колебания возбуждают путем импульсного силового воздействия ударами молотка (по крайней мере, 10 ударов) последовательно по боковой и торцевой поверхности образца. Акустический сигнал от образца воспринимает микрофон, и через предусилитель передает на анализатор, который определяет пять собственных частот. По ГОСТ 20018 «Метод определения плотности» определяют экспериментальным путем реальную плотность образца с погрешностью не более 0,01 г/см. Рассчитывают, по крайней мере, пять форм и пять собственных частот колебаний образца и методом аппроксимации в заданных диапазонах изменения значений модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона определяют значения динамических модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона, при которых рассчитанные частоты совпадают с экспериментальными в пределах 0,1%. Недостатком способа является необходимость выполнения трудоемких операций по изготовлению образца, неопределенность результатов, зависящих от характера ударов молотка об образец, возможный разброс значений констант образца и реальных литых стержневых деталей и ограниченное число определяемых констант упругости образца.
Известен способ определения коэффициента Пуассона [2. Патент РФ №2289114 C1. Бадамшин И.Х. Способ определения коэффициента Пуассона монокристаллов. Опубликован 10.12.2006. Бюл. №34], по которому в монокристаллическом образце коэффициент Пуассона определяют по формуле, отличающийся тем, что предварительно определяют тип кристаллической решетки для монокристаллического материала рентгеноструктурным методом, а затем по формуле определяют относительную поперечную деформацию и при заданной относительной продольной деформации - коэффициент Пуассона. Недостатком способа является необходимость выполнения трудоемких операций по изготовлению образца и сложность рентгеноструктурного метода определения типа кристаллической решетки.
Известен способ определения коэффициента Пуассона, реализованный на базе электромагнитно-акустического преобразователя [3. Патент РФ №2334981. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Алехин С.Г., Козлов В.Н. Электромагнитно-акустический преобразователь. Опубликован 27.09.2008. Бюл. №27], заключающийся в одновременном возбуждении продольной и двух сдвиговых ультразвуковых волн, регистрации многократно-отраженных акустических сигналов, выделении из них эхо-сигналов продольной и каждой из сдвиговых волн, их корреляционной обработке, измерении временных интервалов между эхо-сигналами соответствующей поляризации и определении по соотношению этих временных интервалов наличия и степени напряженно-деформированного состояния материала в локальной области объекта контроля. Недостатком способа является применение постоянных магнитов, что приводит к ударам при установке и усложнению перемещения электромагнитно-акустического преобразователя по поверхности тел из углеродистых сталей и его повышенному загрязнению окалиной, сложность обработки одновременно-принимаемых эхо-сигналов трех типов волн и ограниченность видов определяемых упругих констант.
t
z
z
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел, заключающийся в том, что с помощью пьезоэлектрических преобразователей возбуждают продольные и поперечные волны в одной заданной зоне возбуждения, принимают донные эхо-сигналы этих волн, измеряют времена их прихода, рассчитывают по ним скорости распространения волн и упругие константы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, возбуждение волн осуществляют одновременно, а ввод осуществляют через поверхность с периодическими неровностями, шероховатость которой выбрана в пределах 20-500 мкм [4. Патент РФ №2006853. Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г., Абдуллаев А.И. Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел. Опубликован 30.01.1994]. При нормальном вводе в изделие продольной волны через поверхность ввода с периодическими неровностями в изделии возбуждается продольная и трансформированная на неровностях поперечная волна той же, что и продольная, частоты, которая также распространяется в изделии нормально к поверхности ввода. Донные эхо-сигналы продольной и поперечной волн принимают преобразователем, измеряют время их приема и определяют по временам приема и толщине изделия скорости  и C распространения продольной и поперечной волн, а упругие константы материала изделия рассчитывают по соответствующим формулам. Недостатками способа являются необходимость создания надежного акустического контакта и ограничения, связанные с состоянием поверхности контролируемого объекта, так как при шероховатости поверхности R<20 мкм трансформированная на неровностях поперечная волна имеет малую амплитуду, что приводит к трудностям или даже невозможности регистрации ее донного эхо-сигнала, а при шероховатости R>500 мкм возрастает величина контактного слоя, образованного неровностями поверхности ввода, заполненными контактной жидкостью, которая влияет на измеряемые времена приема, что приводит к появлению погрешностей определения скоростей продольной и поперечной волн.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, в общем случае, воздействуют на поверхность локальной области упомянутого твердого тела электромагнитным одно- или многопериодным импульсом и постоянным или импульсным магнитным полем, одновременно или поочередно возбуждают акустические продольную и две плоско-поляризованные сдвиговые волны, ориентируют векторы смещений упомянутых сдвиговых волн, соответственно, вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия, принимают и усиливают одно-многократно отраженные акустические сигналы, отличающийся тем, что уточняют упомянутые направления прокатки или приложенного усилия по максимальным значениям амплитуд сдвиговых волн, путем стробирования выделяют из принятой последовательности импульсов одно-многократно отраженные эхо-сигналы продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, производят корреляционную обработку сигналов, измеряют временные интервалы между эхо-сигналами, соответственно, продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, рассчитывают скорости распространения акустических волн и по соотношению этих интервалов и скоростей и известному значению плотности исследуемых твердых тел определяют упругие константы по соответствующим формулам.
В варианте способа по п. 1 определяют соотношение , а упругие константы в ненагруженном изотропном твердом теле определяют по формулам:
0t
t
где , υ и , τ - скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн, соответственно; μ, λ - модули упругости Ламе; G - коэффициент сдвига; ν - коэффициент Пуассона; Е - модуль продольной упругости Юнга; К - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.
В другом варианте способа в анизотропном или подверженном механической нагрузке твердом теле упругие константы определяют по формулам для каждого направления поляризации сдвиговых волн, используя в расчетных формулах соотношение , где i=1, 2, 3…n, - номер измерений для выбранного направления плоскости поляризации сдвиговых волн, а упругие константы определяют по формулам:
it
it
i
i
i
i
i
i
где , υ и , τ - скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн, соответственно; μ, λ - модули упругости Ламе; G - коэффициент сдвига; ν - коэффициент Пуассона; E - модуль продольной упругости Юнга; K - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.
Рис. 1, 2 схематично поясняют суть предлагаемого способа определения упругих констант токопроводящих твердых тел. На них изображен способ бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения-приема акустических продольной и двух плоско-поляризованных сдвиговых волн с применением постоянного (рис. 1а) и импульсного (рис. 1б) магнитных полей и осциллограмма принятых ЭМА преобразователем одно-многократных эхо-сигналов (рис. 2).
На рис. 1а показано взаимное положение постоянных магнитов 1, 2, индукторов в виде удлиненных спиральных катушек 3, 4, обеспечивающих воздействие на поверхность твердого тела электромагнитными импульсами, и фрагмент твердого тела 5.
На рис. 1б показано взаимное положение импульсного магнита (магнитопровод 1 и индуктор 2), индукторов в виде удлиненных спиральных катушек 3, 4, обеспечивающих воздействие на поверхность твердого тела электромагнитными импульсами, и фрагмент твердого тела 5. Наводящиеся в поверхностном слое токопроводящего твердого тела вихревые токи показаны пунктирными линиями.
В обоих случаях удлиненные витки катушки 3 расположены асимметрично полюсным наконечникам магнитов 1, 2 (рис. 1а) и магнитопровода 1 (рис. 1б) так, что одна половина витка 3 находится под полюсным наконечником, а вторая - между полюсными наконечниками, что обеспечивает возбуждение-прием соответственно сдвиговой - SH и продольной - L акустических волн. Смещения в сдвиговой волне, возбуждаемой индуктором 3, направлены поперек направления прокатки НП, обозначенного стрелками на рис. 1. Индуктор 4 обеспечивает возбуждение сдвиговой волны - SH со смещениями вдоль направления прокатки.
На рис. 2 показаны реализации принятых ЭМА преобразователем (катушкой 3) многократных эхо-сигналов одновременно возбуждаемых продольной - L и сдвиговой- SH волн. При поочередном возбуждении упомянутых ультразвуковых волн принимаются многократные эхо-сигналы продольной - L или сдвиговой - SH волн. После усиления в усилителе с большим динамическим диапазоном (логарифмическом усилителе), стробирования и разделения эхо-сигналов соответствующих акустических волн и их цифровой обработки производится измерение интервалов между импульсами и расчет скоростей распространения акустических волн. Одновременно эхо-сигналы индицируются на дисплее.
Способ реализуется следующим образом. ЭМА преобразователь устанавливается на поверхность твердого тела, с генератора высокочастотные импульсы подаются на катушку 4, возбуждаемые импульсы сдвиговой - SH волны распространяются, многократно переотражаясь от наружной и внутренней поверхностей твердого тела, и принимаются ЭМА преобразователем. Вращением ЭМА преобразователя вокруг оси ориентируют его вдоль направления прокатки для получения максимального значения эхо-сигналов (при исследовании ненагруженного изотропного металла амплитуда эхо-сигнала не изменяется).
0
i
При подаче с генератора высокочастотных импульсов на катушку 3 импульсы продольной - L и сдвиговой - SH волны со смещениями поперек направления прокатки или приложенного усилия также распространяются, многократно переотражаясь от наружной и внутренней поверхностей твердого тела, и принимаются ЭМА преобразователем. По полученным значениям времени распространения рассчитываются значения скоростей распространения соответствующих акустических волн, параметры N и N, и вычисляются упругие константы по соответствующим формулам. Длительность импульса магнитного поля в варианте ЭМА преобразователя - рис. 1б выбирается с учетом толщины контролируемого твердого тела и максимально возможного количества переотражений эхо-сигналов.
Плотность материала твердого тела ρ находится в справочниках или определяется по методике ГОСТ 20018-74 «Метод определения плотности».
Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении предлагаемого способа, не связанного с изготовлением образцов и применением сложных испытательных машин, является создание аппаратуры с широкой областью применения, отличающейся достоверными и точными показаниями при определении упругих констант изделий с грубо обработанной поверхностью с применением электромагнитно-акустических преобразователей, не требующих использования контактирующих сред.
Предложенный способ обеспечивает повышение точности при определении упругих констант проката и реальных конструкций в процессе производства и эксплуатации из различных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе и может найти применение в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности.
Для наглядности уравнения теории упругости [1] и акустической тензометрии для изотропного недеформированного твердого тела сведены в таблицу 1.
0t
0
Пользуясь уравнениями таблицы 1 и результатами измерений времени распространения продольной и сдвиговой волн в образцах некоторых марок сталей, определены значения скоростей  и υ продольной и сдвиговой волн и величина  и , а также выбраны значения параметра ρ для указанных сталей из [2]. Полученные данные сведены в табл. 2.
Значения упругих модулей, приведенных в [2] и полученных расчетным путем по результатам экспериментальных измерений, приведены в таблице 3.
Сопоставление справочных данных и значений упругих модулей, полученных на основании расчетов по результатам измерений в соответствии с заявляемым способом, показывает, что разброс составляет ~1%.
Литература
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 4: В 3 кн. Кн. 1 В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко и др. Акустическая тензометрия. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 228 с.
2. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко. - Машиностроение, 2003. - 784 с.