Введение
Современнаядиагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналомразличных физических методов и средств, уже не ограничивается задачамидефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определениямеханических характеристик материалов, причем основное место здесь занимаютметоды и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.
В связи сэтим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики,сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. Ктаким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированногосостояния.
Металлическиеконструкции и детали машин в процессе эксплуатации подвергаются действиюпеременных во времени механических нагрузок, которые могут стать причинойусталостных изменений структуры металла и накопления микродефектов, аследовательно, образования макродефектов, зарождения трещин и разрушенияизделия. Все это может привести не только к материальным потерям, но и вопределенных ситуациях к негативному влиянию на окружающую среду и гибелилюдей.
Одним изпредставителей такого рода конструкций можно считать ВЛЭП, а вернее протянутыемежду вышками тросы. За годовой цикл они могут испытать перепады температур от-50 до +50 градусов, при этом на них воздействуют различные виды деформаций:растяжение, сжатие, кручение и другие. Это все может привести к колоссальнымпотерям.
Подъемнаятехника используется во многих областях жизнедеятельности человека. В нашемповседневном быту мы используем лифты, при строительстве используем краны, вметро нас спускает эскалатор, где основная часть нагрузки приходиться напроволоки и тросы.
Еще одним изпримеров, где проводят оценку напряженно-деформированного состояния, являетсятрубопроводные обвязки. Подвижки грунта, а также нарушение технологии в ходеремонтных работ могут привести к значительным отклонениям положения трубопроводныхобвязок основного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций отначального проектного положения. Таким образом, кроме проектных нагрузок, такихкак внутреннее расчетное давление, собственный вес труб и арматуры и давлениегрунта на подземную часть, на трубопроводных обвязках могут действоватьнапряжения, вызванные деформацией вследствие непроектных смещений обвязки.Данные нагрузки не учитываются проектом и, как показывает практика расчетов,порой даже не очень значительные смещения от проектного положения (на 4-10 мм)могут привести к превышению напряжениями предельно допустимых значений [12].Это, в свою очередь, ведет к увеличению риска зарождения и развития в зонахдействия повышенных напряжений опасных трещиноподобных дефектов.
Существуютразличные методы измерения механических напряжений:
· рентгеновскоеопределение напряжений – деформацию определяют по изменению межплоскостных расстоянийнапряженного кристаллита;
· тензорезистор– принцип измерения состоит в том, что при деформации изменяется его активноесопротивление;
· магнитоанизотропный– определения механических напряжений по величине магнитной анизотропии,вызываемой напряжениями в изотропном ферромагнитном материале;
· оптическийметод определения внутренних напряжений – при прохождении света в оптическипрозрачных материалах возникает двойное лучепреломление, величина которогохарактеризует степень напряженного состояния контролируемого объекта;
· акустическаятензометрия – основана на регистрации изменения скорости распространенияупругих волн под влиянием напряжений.
Под действиемциклических нагружений микродефекты перерастают в трещины, и их концентрациястановится опасной для дальнейшей эксплуатации. Большинство методов позволяетвыявить только наличие достаточно крупных трещин. Однако гораздо важнеераспознать более раннюю стадию накопления дефектности – образованиемикротрещин.
Одним изспособов решение этой задачи является метод, основанный на регистрации измененияскорости распространения упругих волн под влиянием механических напряжений.
Распространениеупругих колебаний в ограниченном объеме по сравнению с безграничной средойналагает на волновой процесс дополнительные условия, которые обычно сводятся кравенству нулю давления на свободных поверхностях или к равенству нулю скоростина абсолютно жестких поверхностях. При этом волновые уравнения колебаний телограниченной формы всегда имеют общую структуру: один член уравнения содержитвторую производную по времени смещения, а другой – комбинацию пространственныхпроизводных, умноженных на коэффициент, определяемый упругими свойствами иплотностью тела.
Строгоерешение уравнений, описывающих колебания тел ограниченной формы с учетом всехграничных условий, особенно в случае твердых тел, в которых связаны трисоставляющих смещений и шесть составляющих напряжений, часто наталкивается нанепреодолимые математические трудности. Поэтому обычно используют определенныеупрощения на основе преимущественного характера соотношений между деформациямии смещениями. Это позволяет свести любой сложный волновой процесс ксуперпозиции элементарных нормальных волн.
1. Связь скорости ультразвука с механическими напряжениями
1.1 Акустотензометрия
Тензометрия – измерение напряжений и деформаций в твердых телах.Акустическая тензометрия основана на явлении акустоупругости котороезаключается в изменении скорости распространения упругих волн под влияниемнапряжений.
Упругаядеформация твердых тел описывается законом Гука />.
/>
Рис. 1.Диаграмма растяжения твердого тела
Модуль Юнгахарактеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения – сжатия.Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образцавдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнгаможно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации приудвоении размеров образца. Закон Гука справедливлишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклоненияот этого закона. На рис. 1. представлена [5] характерная диаграммарастяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительнымудлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках,на участке 0А.
Максимальноенапряжение sп, при котором ещевыполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.
Максимальноенапряжение sуп, при котором еще невозникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация непревышает 0,1%), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В надиаграмме деформации.
Пределтекучести – это напряжение, которое характеризует такое состояниедеформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующейсилы (горизонтальный участок ВС).
Пределомпрочности sпр (точка D) называетсянапряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом передразрушением.
Отклоненияот закона Гука в области напряжений, не превосходящих предела упругости,объединяются общим понятием неупругости. Проявлением неупругости являются, например, упругиепоследействия и упругий гистерезис, подлежащий экспериментальному наблюдению вданной работе.
Явлениеупругого последействия заключается в изменении со временем деформационногосостояния при неизменной величине напряжения. В этом случае после приложениянагрузки к образцу деформация возникает не мгновенно, а продолжает увеличиватьсяс течением времени (прямое упругое последействие); также и после снятия нагрузки:деформация образца исчезает не мгновенно, а продолжает уменьшаться во времени (обратноеупругое последействие).
Закон Гука, согласно которому напряжение б и деформация епропорциональны, выполняется приближенно. Более точная зависимость имеет видстепенного ряда.
/>
Степени выше второй не учитывают. Это выражение следует пониматькак упрощенное, не учитывающее наличия и взаимодействия деформаций разноготипа. Коэффициенты типа С1 называют упругими постоянными или модулямиупругости, а коэффициенты типа С2 (в изотропном твердом теле их три) обычноназывают коэффициентами Мурнагана или другими терминами. В [2] вопросрассматривается упрощенно и показано, что
/>
Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению илидеформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяетсяакустоупругим коэффициентом. При деформации растяжения скорость уменьшается, апри деформации сжатия – увеличивается. В области пластических деформаций скоростьостается практически постоянной. Измерение абсолютных значений скорости снеобходимой точностью – трудная задача. Она облегчается тем, что обычнотребуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влияниемприложенных напряжении (как и в других вариантах тензометрии). Важноедостоинство акустической тензометрии – измерение напряжений не только наповерхности, но также внутри ОК.
Определение напряжений в материалах, обладающих собственнойанизотропией, требует учета реальной скорости звука в направлении измеряемыхнапряжений. Например, текстура, возникающая при прокатке дюралюминия Д16, можетвызвать изменение скорости по разным направлениям до 0,26%, а изменениескорости под влиянием напряжений – порядка 0,08%; для стали 45 соответственно0,64% и 0,04%.
Явление динамической акустоупругости заключается в воздействии наОК переменного поля напряжений скорость ультразвука под их воздействиемизменяется приблизительно так же, как в стационарном режиме. Следовательноявление может быть использовано для контроля переменных напряжений. В [2]представлены данные о величине акустоупругого взаимодействия в зависимости отнаправления приложенного напряжения (рис 2).
/>
Рис. 2. Относительные изменении скорости под влияниемприложенных напряжений: о– измерения непрерывными волнами методом прохождения; • – импульсные измеренияэхо-методом
Теорию акустоупругого взаимодействия с логарифмической формойпредставления конечной деформации считают перспективной. Изменение скорости подвлиянием напряжений очень мало, измерениям сильно мешают температурные эффекты,микронеоднородности, текстура. Схемы выполнявшихся экспериментов показаны на рис. 3.
В качестве образцов использовали алюминево-магниевый сплав,технический алюминиевый сплав и оптическое стекло. Для них измереныакустоупругие коэффициенты. Измерения выполняли импульсным методом с учетомизменения фазы импульса и методом непрерывных волн с наложением модуляции.Точность первого метода была на 10% выше, результаты показаны на (рис. 4).
/>
/>
/>
Рис. 3 Направления распространения плоских волн (1) иприложенные напряжения (2)
/>
Рис. 4. Относительные изменения скорости дс/с в зависимостиот деформаций для вариантов, показанных на рис. 3
Применительно к сталям У8 и ШХI 5 установлено[2], что амплитудасигнала, возбуждаемого ЭМА-преобразователем, однозначно и практически линейноуменьшается с увеличением микроискажений кристаллической решетки (е),характеризующих микронапряжения. Значение (е) измеряли рентгеноструктурнымметодом. Уменьшается также резонансная частота колебаний образца, возбуждаемогоЭМА способом, но в значительно меньшей степени.
Обнаруженный эффект дает возможность использоватьЭМА-преобразование для оценки внутренних напряжений при термической обработкеуглеродистых и слаболегировынных сталей. Это тем более важно, что эффект проявляетсяпри температурах отпуска 200… 600 град. где магнитные и электрические методыконтроля неэффективны.
В таблице [6], в которой приведены скорости звука в различных легсталях в разных состояниях обработки, различия в обеих скоростях звукасоставляют менее 5%. По влиянию легирующих элементов никакой систематики неусматривается, однако со стояния обработки (отжиг, закалка, термическоеулучшение, холодная деформация) сказываются на скорости звука гораздо сильнее,чем легирующие элементы. Как правило, обе скорости звука под влияниемлегирующих примесей уменьшаются; обычно это относится и к затуханию звука.Отклоненными от величины с 5,93 км/с для многих практических целей можнопренебречь, но в случае точного измерения толщины стенки это недопустимо. Междутем отклонение поперечной скорости звука на 1% уже приводит к изменению углапреломления на 1,5° при его исходном значении 70°. Следовательно, в критическихслучаях, например при предельном угле для поверхностных или головных волн, этоотклонение нужно учитывать. В таком случае определенную роль играет иуменьшение скорости звука с температурой [1,7].
Термическая или механическая обработка металла приводит кперестройке структуры и появлению микродефектов. Например, в процессеусталостных испытаний изменяется дислокационная структура и накапливаютсяусталостные повреждения. Следователь но, есть основания ожидать измененийскорости ультразвука при механических нагружениях. Напряжения акустическихколебаний, используемые в ультразвуковых измерениях, значительно меньшенапряжений трения, поэтому скорость ультразвука может характеризоватьперестроение и закрепление дислокаций, возникновение микропор в процессециклических нагружений. Кривые изменения модуля упругости в процессе усталостипредставляют собой как бы зеркальное отображение аналогичных кривых внутреннеготрения. Как правило, моменту появления микротрещин усталости соответствуетодновременное заметное увеличение внутреннего трения и уменьшение модуляупругости. Перераспределение примесных атомов в металле может бытьзарегистрировано по скорости ультразвука. Единственной физическойхарактеристикой, которая изменяется (растет) вместе с развитием отпускнойхрупкости, является внутреннее трение.
1.2 Усталостные микроповреждения
Металлические конструкции и детали машин в процессе эксплуатацииподвергаются действию переменных во времени механических нагрузок, которыемогут стать причиной усталостных изменений структуры металла и накоплениямикродефектов, а следовательно, образования макродефектов, зарождения трещин иразрушения изделия. Для обнаружения микротрещин можно воспользоваться методом,основанным на изменении скорости звука в металле в зависимости от структуры инакопления микродефектов при эксплуатации под воздействием циклическименяющихся нагрузок и температуры. Определяя закономерности кинетики накоплениямикродефектов в металле при усталостном нагружении, можно установить порог,выше которого формируются опасные для дальнейшей эксплуатации трещины.
Скорость распространения ультразвука измеряли по принципуавтоциркуляции импульсов. Исследования зависимости скорости ультразвука отразличных параметров усталостных испытаний выполняли [1] на плоских образцах изстали 45. Предварительная термическая обработка образцов состояла из нагревапри 870 гр. в течение 0,5 ч и охлаждения на воздухе. Образцы циклическинагружали в нулевом цикле напряжений (R=0) при двух температурах: 20 и 200 гр. счастотой цикла 5 Гц и уровнями максимальных напряжений цикла 320, 400 и 550МПа. Число циклов доводили до 10е5.
/>
Рис. 5. Кривая усталости для исследованной стали скоэффициентом асимметрии R=0 (б) (N – количество циклов)
Скорость звука измеряли до и после приложения нагрузок. Частьобразцов испытали до разрушения методом малоцикловой усталости. Скоростьповерхностных волн измеряли периодически, по мере возрастания числанаработанных циклов N. Согласно (рис. 5) с ростом числа циклов, уровня циклическихнапряжений и температуры испытаний скорость волн в образце уменьшается.
Выяснилось [11], что практически все структурные изменения, вызванныетермической обработкой или деформацией, приводят к малым, но измеримымизменениям СУЗ. Перспективным оказалось применение методики измерения СУЗ для диагностикиматериала при усталостном нагружении. На рис. 6. представлены данные оизменении СУЗ в ходе усталостного испытания образцов из стали 45 по схемеизгибных колебаний. Аналогичные зависимости были получены и для образцов изрельсовой стали М76. Измерения, проведенные методом автоциркуляции звуковыхимпульсов на несущей частоте 2.5 МГц с помощью прибора ИСП-12 [1], указывают накачественно одинаковый для всех испытанных образцов вид зависимости скорости поперечныхультразвуковых волн от числа циклов нагружения n. Во всех случаях Vt (n)состоит из трех последовательных стадий снижения СУЗ, но уровень и темп количественныхизменений для каждого конкретного образца индивидуален (рис. 6).Характерно, что трехстадийная кинетика изменения некоторых свойств металлов приусталостных испытаниях отмечалась и при использовании других методик.
/>
Рис. 6. Относительное изменение СУЗ в ходе усталостныхиспытаний образцов из стали 45
Понимание существа процессов, ответственных за подобнуюстадийность кривых, достигается при микроструктурном анализе металла,подвергнутого усталостным испытаниям. Оказывается, на стадиях 1 и 2 вмикроструктуре еще практически незаметны какие-либо изменения, но по мере приближениястадии 3 появляются следы пластической деформации, а сразу после начала крутогоспада зависимости Vt (n) отмечены признаки разрушения в виде микротрещинразмером ≥ 0.01 мм. Таким образом, есть надежные основания считать,что переход к стадии 3 зависимости СУЗ от числа циклов нагружения сигнализируето приближении катастрофической стадии усталости и исчерпании ресурса изделия.
/>
Рис. 7. Зависимость изменения СУЗ на 1 цикл испытания отчисла циклов
Таким образом, способ измерения скорости распространенияультразвукового импульса позволяет достаточно уверенно диагностироватьнакопление дефектов при усталостном нагружении и регистрировать переход отстадии нормальной эксплуатации к стадии предразрушения.
Представляется, что подобный вид зависимости Vt (n) может быть полезендля объяснения известного в теории надежности [11] U – образного характера зависимостиинтенсивности отказов (их числа в единицу времени) от времени эксплуатации t. Действительно,U – образной является показанная на рис. 7. зависимость dVt /dn от n(очевидно, n – t), построенная по даннымрис 6: в терминах теории надежности, ее начальный этап соответствуетприработочным отказам, стадия медленного спада СУЗ – периоду внезапных отказов(нормальная эксплуатация), а быстрый спад СУЗ сигнализирует о переходе кнаиболее опасному периоду износовых отказов.
2. Методыизмерения скорости ультразвука
Изменениескорости распространения ультразвука в сплавах в зависимости от их структурыили термической обработки не превышает 3%. Следовательно, для изучения природысвязи структуры и скорости распространения звука нужны ультразвуковые методыисследования с точностью лучше 0,05%, причем погрешность устройств длянеразрушающего контроля по скорости распространения ультразвука не должнапревышать 0,1%.
Резонансныйметод, предназначенный для измерения малых изменений скорости распространенияультразвука, является, [9] довольно точным, 0,05% и лучше. Такой метод легкореализуется экспериментально с помощью высокоточных промышленных приборов(генераторов ультразвуковых колебаний, частотомеров, милливольт метров).Поскольку в устройстве, реализующем данный метод, используются нетиповыепьезопреобразователи и образцы, необходимо оценить его точность.
Импульсные иавтоциркуляционные методы пригодны как для промышленных, так и дляисследовательских целей. Поскольку они могут быть реализованы с использованиемповерхностных, например рэлеевских, волн практически исключается влияние наточность измерений формы и размеров образцов, свойственное резонансному методу,за счет жесткой фиксации расстояния между пьезопреобразователями.
2.1 Резонансныйметод
Резонансныйметод, основанный на смещении амплитудно-частотной характеристикиультразвукового сигнала, прошедшего через образец наиболее распространен вэкспериментальных исследованиях [1]. Заключается он в следующем. В образцевозбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, частоту которых плавно меняютв некотором диапазоне и измеряют зависимость амплитуды прошедшего сигнала отего частоты. При выполнении условия резонанса в исследуемой акустическойсистеме, когда на длине образца укладывается целое число полуволн, амплитудапрошедшего сигнала достигает максимума, что соответствует резонансному пику наамплитудно-частотной характеристике. После термической обработки образца,изменяющей структуру и свойства, наблюдают смещение частот его резонансныхпиков и судят об изменении скорости распространения ультразвуковых волн вметалле.
На рис. 8представлена блок-схема экспериментальной установки, реализующей резонансныйметод. Непрерывные ультразвуковые колебания в образце возбуждаютсяпьезопреобразователем (ПЭП) из титаната бария с резонансной частотой 2,5 МГц,питаемым от генератора колебаний. Прошедший через образец акустический сигналпринимается другим аналогичным ПЭП, преобразующим акустические колебания впеременное напряжение той же частоты, измеряемое ламповым милливольтметром.Частота колебаний регистрируется электронно-счетным частотомером.
/>
Рис. 8Блок-схема ультра звуковой резонансной установки: 1 – частотомер Ч3–3З; 2 – генераторколебаний ГЗ (Г4 68); 3 – вода; 4 и б – излучающий и приемныйпьезопреобразователи; 5 – цилиндрический образец; 7 – милливольт метр ВЗ-38; 8 –термометр
Дляисключения влияния акустического контакта на результаты измерений образецвместе с преобразователями помещается в иммерсионную ванну, заполненную водой.Температура воды и соответственно образца измеряется термометром с точностью0,1 К. Для акустических исследований резонансным методом наиболее удобныобразцы в форме цилиндра диаметром 20–21 и длиной 80–90 мм сшероховатостью поверхности Rmax = 3,2 – 12,5 мкм. Их геометрические размерыможно контролировать с ошибкой 5 мкм микрометром и измерительным микроскопом.Для установления корреляций между резонансными ликами исследуемого образцапосле различных термообработок амплитудно-частотные зависимости необходимоснимать в диапазоне частот от 2,2 до 2,9 МГц, охватывающем не менее десятирезонансных ликов. Положение экстремальных точек этой зависимости определяетсяс ошибкой 0,1 кГц. На рис. 9. приведен участок амплитудно-частотнойхарактеристики одного из образцов.
/>
Рис. 9.Участок амплитудно-частотной характеристики одного из образцов
2.2 Импульсныйметод
Вышеописанный метод применим на практике лишь для контроля деталей, имеющих формуцилиндра с малым разбросом размеров. Кроме того, для резонансного метода сложнаобработка результатов измерений. Устранить погрешность, связанную с размернымфактором, и упростить интерпретацию получаемых данных можно с помощью фиксациирасстояния, проходимого ультразвуковой волной. А это возможно с применениемповерхностных акустических волн, например рэлеевских. Очевидно, наиболее простометод контроля с помощью этих волн можно реализовать импульсным методом возбужденияультразвуковых колебаний. Использование импульсного сигнала позволяет применитьжесткое, без демпфирующих прокладок, соединение пьезопреобразователей друг сдругом и повысить тем самым точность измерений скорости звука по временипрохождения импульсом фиксированного расстояния между излучающим и приемнымпьезопреобразователями. Рассмотрим работу импульсного прибора сосциллоскопической индикацией [1], его блок-схему и временные диаграммы.Принцип действия устройства заключается в следующем. Генератор импульсов (ГИ)формирует короткие импульсы амплитудой 35… 100 В, которые подаются наизлучающий пьезопреобразователь В1. Ультразвуковой импульс проходит по образцуи через промежуток времени t достигает приемного пьезопреобразователя В2, гдепреобразуется в электрический импульс, который усиливается усилителем Ус иподается на вертикальный вход (Вх «У’) электронно-лучевого осциллографа ЭО. Припостоянной скорости развертки положение импульса на экране зависит от временипрохождения ультразвуком расстояния между пьезопреобразователями и,следовательно, от скорости распространения ультразвука в образце. Запуск ждущейразвертки осциллографа происходит не в момент формирования в блоке ГИ импульса,а по истечении промежутка времени t0 несколько меньшего времени t пробега ультразвуковымимпульсом расстояния между пьезопреобразователями (рис. 10).
/>
Рис. 10.Блок-схема импульсного прибора (а): ГИ – генератор импульсов; В1 и В2 – излучающийи приемный пьезопреобразователи; Об – образец (изделие); Ус (А1) – усилитель;БЭВ – блок задержки времени; ФИ – формирователь импульсов; Т – Трйггер; ГПН – генераторпилообразного напряжения; ПВ – пиковый (амплитудный) вольтметр, ЭО – электронно-лучевойосциллограф
Временнаязадержка сигнала осуществляется специальным блоком задержки времени (БЭВ),который запускается импульсом, поступающим с ГИ, и формирует прямоугольныйимпульс длительности t0. По окончании времени задержки на выходе БЗВ появляетсяимпульс отрицательной полярности, преобразуемый формирователем импульсов (ФИ) вимпульс положительной полярности, который подается на электронно-лучевойосциллограф и запускает генератор ждущей развертки. Введение блока задержкивремени позволяет существенно увеличить скорость развертки и тем самым повыситьточность измерений.
Еслиобозначить t’время от момента включения развертки до появления на экране осциллографаимпульса от приемного пьезопреобразователя, то время прохождения импульса пообразцу
/>
Расстояние х,проходимое лучом на экране осциллографа от момента запуска генератора разверткидо прихода импульса с приемного пьезопреобразователя, будет
/>
где V – скорость развертки. Но
/>
где l – расстояние междуизлучающим и приемным пьезопреобразователями; Vr – скоростьраспространения ультразвука в образце.
Подставив(4.13) в уравнение (4.12), получим
/>
Очевидно,точность измерения будет тем выше, чем больше х, но это значение не можетпревышать размеров экрана трубки осциллографа. При заданных размерах экранабольшую точность можно получить, увеличивая скорость развертки V при уменьшении времени t’. Применениеосциллографа С1–54 дает точность измерений до 0,2%.
2.3 Импульсно-фазовыйметод
Импульсно-фазовыйспособ измерения скорости, обеспечивающий высокую точность измерения [4]основан на компенсации акустического импульса, прошедшего ОК, и электрическогоимпульса, прошедшего через емкостную связь во входную цепь приемника. Генераторвысокой частоты 1 (рис. 11 а) вырабатывает непрерывные гармоническиеколебания, частота которых измеряется электронным частотомером 5. Из них блоком2 формируются два сдвинутых относительно друг друга радиоимпульса
(рис. 126). длительность ч амплитуда У время задержки т и период повторения импульсов задаютсямодулятором б (рис. 12 а). с помощью пьезоэлектрических излучателя ИП иприемника ПП импульсы проходят как акустические колебания. Приемный трактприбора 4 состоит из аттенюатора и усилителя. сигналы наблюдают на осциллографе7.
/>
Рис. 12.Измерение скорости импульсно-фазовым способом (а) и электрические колебания,используемые при измерении скорости импульсно-фазовым способом: I – непрерывныегармонические колебания генератора высокой частоты; II импульсы, вырабатываемыемодулятором; III – электрические сигналы, создаваемые акустическими импульсами;IУ – электрические сигналы, прошедшие через емкость связи во входную цепьприемника (6)
Измерениескорости производится путем сравнения сигнала 1а, создаваемого акустическимимпульсом, и сигнала 26, прошедшего через регулируемую емкость связи. Времязадержки регулируют так, чтобы эти импульсы совместились. Регулировкой емкостии уменьшением амплитуды добиваются компенсации им пульсов на экранеосциллоскопа. Частота генератора совпадает с частотой преобразователей, иизмерения проводят в окрестностях этой частоты. Не приводя алгоритма довольносложных настроек и измерений, отметим [2], что погрешность измерений приборатипа «Фонон» не более 0,1%, а воспроизводимость результатов – тысячные долипроцента.
2.4 Методавтоциркуляции импульса
Импульсныйприбор обладает хорошей помехозащищенностью, но для исследовательских целейточность его недостаточна. Кроме того, измерения по сетке на экранеосциллографа довольно трудоемки. Расстояние между пьезопреобразователями должнобыть не менее 100–150 мм. Однако многие детали не имеют таких площадок дляустановки пьезопреобразователей. Например, ширина сварочных швов паропроводов20–30 мм, а для столь малых расстояний применение импульсного методатребует значительного уменьшения длительности вводимого в детальультразвукового им пульса, что технически осуществить весьма трудно.
При этомчастота импульсов автоциркуляции зависит от времени пробега импульсомрасстояния между пьезопреобразователями, а значит (при неизменном расстояниимежду преобразователями), – от скорости распространения ультразвука в образце.Рассмотрим подробно вариант автоциркуляционного прибора (рис. 13).
/>
Рис. 13.Блок-схема автоциркуляционного прибора
ГЗИ генераторзапускающих импульсов; УсI импульсный усилитель; В1 и В2 – излучающий иприемный пьезопреобразователи; Об – образец (деталь); Ус2 — широкополосныйусилитель; ФИI, ФИ2 – формирователь соответственно коротких и прямоугольныхимпульсов; Ч частотомер ЧЗ-З3; 51 – включатель; См – смеситель: ОГ генераторопорной частоты; ФНЧ – фильтр нижних частот; ИЧ – аналоговый измеритель частот.
Генераторзапускающих импульсов ГЗИ подает импульсы на вход импульсного усилителя УсI, свыхода которого импульсы поступают на излучающий пьезопреобразователь В1.Прошедший по образцу ультразвуковой импульс возбуждает приемныйпьезопреобразователь В2, электрический сигнал с которого поступает на входширокополосного усилителя Ус2. Сигнал на выходе Ус2 представляет собой затухающиевысокочастотные колебания. Из этого сигнала ФИ 1 формирует короткие импульсы,используемые для запуска ФИ2. Задача блока ФИ2 – формирование прямоугольныхимпульсов длительностью, несколько большей половины периода следованияимпульсов, чем устраняется опасность возникновения колебаний на кратныхчастотах. С выхода ФИ2 импульсы подаются на вход импульсного усилителя УсI, темсамым цепь автоциркуляции замыкается. После появления устойчивых колебанийгенератор запускающих импульсов ГЗИ отключается выключателем $1. Частотаследования импульсов измеряется цифровым частотомером (ЧЗ-33), вход которогоподключается к выходу импульсного усилителя.
Малыегабариты и масса, а также незначительное потребление энергии от источникапитания дают возможность изготовить переносной вариант прибора, что требуетприменения малогабаритного частотомера, например аналогового, с использованиемметода биений.
Данныеиспытания [1] не только показали, что прибор устойчиво работает при малых,вплоть до 10… 15 мм, расстояниях между пьезопреобразователями, но иподтвердили его высокую помехоустойчивость и отсутствие акустической связимежду пьезопреобразователями.
2.5 Гетеродинныйметод
Гетеродинныйспособ основан на интерференции опорного (гетеродинного) сигнала и первогоУЗ-импульса, прошедшего через ОК и буфер-звукопровод. Высокочастотный сигналгенератора 2 (рис. 14) модулируется прямоугольным импульсом от генератора1 и через аттенюатор 8 поступает на осциллоскоп 10 (синхронизуемый генератором 1)в качестве опорного сигнала.
/>
Рис. 14.Измерение скорости гетеродинным способом
Импульс от 2,усиленный в 4, возбуждает пьезопреобразователь 5, проходит через буфер 6,обеспечивающий временную задержку, ОК 7, принимается преобразователем 5’ ичерез широкополосный усилитель 9 также подается на осциллоскоп 10. Частотаколебаний измеряется блоком 3.
Длительностьимпульса подбирается несколько большей времени его прохождения через буфер иОК, так, чтобы опорный сигнал перекрывался и интерферировал с прошедшимимпульсом. Изменяя частоту генератора 2, можно добиться то го, чтобы обасигнала находились в противофазе, тогда на экране можно добиться их взаимногогашения.
2.5 Методизмерения углов отражения и преломления ультразвуковых волн на границе двухсред
скоростьультразвук анизотропия напряжение
Особенноудобно измерение критических углов, при которых одна из преломленных илиотраженных волн определенного типа распространяется вдоль поверхности.Критический угол определяется в основном соотношением скоростей распространенияволн в двух средах. Однако [10] на отражение и преломление упругих волн такжевлияет затухание ультразвука, а величина критических углов определяетсяодновременно скоростью продольных и поперечных волн. Это открывает возможностькомбинированного измерения скорости и затухания волн различных типов поизмерению критических углов и коэффициента отражения.
Этот способимеет ограниченное применение [3]. Он пригоден только для материалов сосравнительно малым поглощением УЗК, и для проведения эксперимента требуетсясоздать специальные условия (например, погрузить образец в жидкость).
Списоклитературы
[1] – Муравьев В.В.,Зуев Л.Б., Комаров К.Л. «Скорость звука и структура сталей и сплавов»,Новосибирск «Наука», 1996
[2] – Неразрушающийконтроль, т. 3, Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. – Ультразвуковойконтроль, М. «Машиностроение», 2004
[3] – Выборнов Б.И.«Ультразвуковая дефектоскопия», изд. второе, перераб. и дополн., М «Металлургия»,1985
[4] – Ермолов И.Н.«Теория и практика ультразвукового контроля», М. «Машиностроение», 1981
[5] – Общийфизический практикум, Часть I, МЕХАНИКА
[6] – Крауткремер Й.,Крауткремер Г. – Ультразвуковой контроль материалов. Справочник, М. Металлургия,1991
[7] – Алешин Н.П.,Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия, 1987
[8] – Агранат Б.А. Основыфизики и техники ультразвука, М. Высшая школа, 1987
[9] – Муравьев В.В.«Погрешности измерений при ультразвуковой структуроскопии», Дефектоскопия, 1988,№7
[10] – Физическаяакустика /под редакцией У. Мэзона.М. Мир.1966, т1, ч.А
[11] –Л.Б. Зуев, В.Я. Целлермаер, В.Е. Громов, В.В. МуравьевЖурнал технической физики, 1997, том 67, №9
[12] – www.encotes.ru (По материаламнаучно-технического семинара «Применение метода акустоупругости для измерениямеханических напряжений в изделиях и конструкциях», состоявшегося 19 мая 2005года в рамках IV Международной выставки «NDT -2005»)