Раздел 4.2. Контроль физико – механических свойств материалов.

Акустические методы измерения физико – механических свойств материалов основаны на связи таких характеристик материалов, как скорость распространения упругой волны, коэффициент затухания, акустическое сопротивление, с их эксплуатационными свойствами: упругими постоянными, прочностью, текстурой, внутренними напряжениями, твердостью, величиной зерна и т.д. Оперативность, безопасность, высокая точность акустических методов контроля привели к их широкому использованию.

Методы, основанные на измерении скорости УЗ колебаний. Изотропные твердые материалы характеризуются двумя упругими постоянными, величина которых однозначно определяется двумя значениями скоростей продольных и сдвиговых волн. Простейшие формулы связи имеют вид: , , где E - модуль сжатия, G- модуль сдвига, r - плотность материала. Для измерения скорости упругих волн используют три основных метода: свободных, вынужденных колебаний и импульсный. Импульсный метод измерения скорости акустических волн в настоящее время применяют чаще других. Как отмечалось ранее, измерение скорости акустических волн позволяет непосредственно определять лишь модули упругости и коэффициент Пуассона. Однако существуют корреляционные зависимости между скоростью и другими важными эксплуатационными характеристиками материалов. Установлено, что повышение скорости упругих волн в бетоне происходит при повышении его предела прочности . Зависимость выражается приближенной формулой , где A - постоянный коэффициент. В общем случае необходимо пользоваться корреляционной кривой скорость – прочность, построенной на основании данных по испытанию образцов бетона контролируемого состава. Для решения задач измерения параметров бетонных конструкций разработаны современные приборы (рис.4.7), [19, 20] серий ОНИКС, ВИМС, МИТ, ВИБРАН и др.

Скорость звука используется как показатель прочностных свойств стеклопластиков, некоторых горных пород, технических тканей, древесных плит. Установлена корреляция скорости распространения УЗИ со структурой и содержанием включений в некоторых материалах. Например, скорость зависит от числа и формы графитных включений в чугуне, пористости спеченных материалов (в порошковой металлургии).

Акустические методы эффективно используются для контроля упругой анизотропии и текстуры материалов путем измерения скорости трех волн: продольной и двух сдвиговых с взаимоперпендикулярным направлением колебаний частиц (поляризованых под 90⁰ друг к другу). Такой метод реализуется с помощью электромагнитно – акустических преобразователей. В результате определяются упругие постоянные, главные направления кристаллических осей и текстуру материалов, что важно для оценки штампуемости металла.

Измерения относительного изменения скорости упругих колебаний позволяют измерять величины прикладываемых напряжений. Это важно, например, для завинчивания болтов до заданных величин. Точность измерения сжимающих или растягивающих напряжений может достигать 0,2 Мпа. Удается контролировать степень наклепа поверхностного слоя металла.

Методы, основанные на измерении затухания,  могут выполняться резонансным методом, методом свободных колебаний и импульсным методом. Наибольшее распространение получили импульсные методы, заключающиеся в определении соотношения амплитуд двух импульсов, прошедшие в материале разный путь.

Рис. 4.7. Ультразвуковые приборы для измерения характеристик бетона и других аналогичных материалов.

Мешающие измерению потери вызываются дифракционным расхождением волн, непараллельностью поверхностей и неполным отражением волн на границах образцов. Случайные изменения толщины слоя контактной жидкости могут вообще не позволить выполнять измерения. Значительно лучшей точности в этом случае можно достигнуть применением электромагнитно – акустического способа возбуждения и приема ультразвуковых импульсов [21].

Ошибки при изучении частотной зависимости коэффициента затухания, используемой часто для оценки величины зерна материала, могут возникать в результате изменения основной частоты вследствие более сильного затухания высокочастотных составляющих сигнала. Точность измерений повышается путем увеличения длительности импульсов или путем разложения принимаемых сигналов по частотным составляющим и с последующим использованием части спектра, соответствующей исследуемой.

Хорошей точностью измерения характеристик материалов по величине затухания упругих колебаний составляет 5…10 %. Для повышения точности при практических измерениях широкое распространение получил способ сравнительного измерения затухания по амплитудам импульсов, проходящим один и тот же путь в образцах и изделиях одинаковой формы при аналогичных условиях измерений.

Одним из эффективных способов уменьшения погрешности измерений разработан в СССР. Он заключается в контроле одного и того же участка изделия на двух частотах. При этом одна из частот выбирается заведомо низкой, такой чтобы затухание ультразвука  слабо зависело от структурных составляющих. Другая частота должна соответствовать области максимального рассеяния. Отношение измеренных на разных частотах амплитуд сигналов называется структурным коэффициентом. Его сравнивают с таким же коэффициентом, полученным на эталонных образцах. Обычно используются частоты УЗИ 0,65…20 МГц. При этом диапазон измерения величины зерна в аустенитных сталях лежит в пределах 1…9 баллов. Точность определения 1 балл.

Способ измерения структурного коэффициента используют также для контроля межкристаллитной коррозии.

Комплексное измерение затухания и скорости ультразвука часто оказывается полезным для оценки пораженности материала изделия микротрещинами.

Методы, основанные на измерении акустического сопротивления, используют физическое свойство – отражающую способность поверхности раздела двух сред [2]. Если граница раздела содержит тонкие слои, то акустическое сопротивление будет комплексной величиной. Т. е. при отражении от границы раздела двух сред ультразвуковой импульс изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.

На измерении акустического сопротивления при отражении ультразвуковых импульсов от поверхности основан метод контроля прочности клеевых покрытий или клеевых соединений. Акустическое сопротивление оценивают по величине коэффициента отражения на границе раздела. Коэффициент отражения  определяют по амплитуде первого полупериода эхо – сигнала от границы раздела материалов. Контроль выполняют эхо – дефектоскопом, у которого имеется режим работы с не продетектированными сигналами. Обычно используются частоты упругих колебаний свыше 4 МГц. Метод позволяет проверять соединения металлов, армированных и неармированных пластмасс и других материалов, хорошо проводящих ультразвук, с внутренними элементами из любых материалов.

Прочность клеевого соединения оценивается также по влиянию акустического сопротивления поверхности контролируемого изделия на резонансные характеристики пьезопреобразователя. Суть метода заключается во взаимодействии пьезопреобразователя с поверхностью материала. В зависимости от того, как материал реагирует на передачу деформаций создаваемых пьезопластиной, изменяется ее основная частота  и добротность, которые в ненагруженном состоянии являются исходными. Произведя калибровку на настроечных образцах мы можем оценить прочность клеевого соединения. Для измерений применяют специальные приборы, позволяющие возбуждать питающие электрические импульсы с изменяемой частотой. Подавая эти импульсы на пьезопластину и изменяя частоту, находим максимальное значение напряжения. Оно соответствует значению частоты, соответствующей степени нагруженности пьезопластины, а, следовательно, и прочности клеевого соединения.

На таком же принципе построен метод измерения важной механической характеристики – твердости [22]. В этом случае ПЭП имеет на рабочей поверхности острый алмазный наконечник. При установлении его на изделие и подачи от пьезопреобразователя деформаций алмазный наконечник внедряется в контролируемый материал на определенную величину, зависящую от твердости. Прибор для измерений градуируется непосредственно в единицах твердости.

Кроме перечисленных, акустический метод позволяет определять одновременно несколько параметров материала. Такая возможность обусловлена сложной зависимостью скорости упругих колебаний от свойств материала.

План курса || План занятия 4