Структуромеры
Тема 5. Структуромеры
Вопрос 21. Прочностные характеристики материалов.
Для контроля структурных характеристик в большинстве случаев используется влияние структуры и фазового состава на затухание или скорость распространения ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах. Предпосылкой ультразвукового структурного анализа металлов явились теоретические и экспериментальные исследования процессов поглощения и рассеяния ультразвука в поликристаллических материалах, проведенные отечественными и зарубежными учеными. Установленные закономерности влияния структуры и химического состава на затухание ультразвуковых колебаний в металлах и сплавах позволили разработать методики производственного контроля и создать специальную аппаратуру.
Ультразвуковой структурный анализ позволяет контролировать величину зерна, его внутреннюю структуру (наличие разных фаз, структурных областей). Например, позволяет контролировать величины и формы графитных включений в чугунах. Также такой анализ дает возможность контроля глубины межкристаллитной коррозии. И все это не только на образцах, но и в изделиях, непосредственно в цеховых условиях, причем, с достаточной для практики точностью.
Для структурного анализа разных видов изделий (поковок, штамповок, отливок, проката и др.) используют разные типы волн. Для определения структуры массивных изделий, толщина которых значительно превосходит длину волны, применяют объемные волны (продольные и поперечные). Волны в пластинах применяют для контроля листов, оболочек, труб толщиной не более 3..5мм. Для контроля обычно применяют низкие моды: ao, so, a1, s1. Поверхностные волны применяют для исследования поверхностного слоя, размером не превышающим длину поверхностной волны. Как средство всестороннего неразрушающего контроля поверхности и поверхностного слоя образцов и материалов (определение дефектов, степени и глубины термической закалки, остаточных механических напряжений, качества обработки поверхности и т.д.) в последние годы интенсивно используются ультразвуковые рэлеевские волны: скорость, затухание и структура рэлеевской волны неразрывно связаны с механическими, термическими и прочими характеристиками поверхностного слоя образца, в котором она распространяется.
Основными материалами для изготовления разного вида изделий являются сплавы на основе железа – чугуны и стали, меди – бронзы и латуни, свинца и олова. Механические свойства конструкционных материалов, а также склонность этих материалов к межкристаллитной коррозии в значительной мере зависят от величины зерна металла. Например, лучшие свойства в отношении сочетания прочности с пластичностью нержавеющая хромоникелевая аустенитная сталь приобретает при мелкозернистой аустенитной структуре. Крупнозернистый металл более склонен к межкристаллитной коррозии в агрессивной среде. Поэтому в деталях ответственного назначения очень важен контроль величины зерна.
Упругие постоянные низшего порядка однозначно связаны со скоростями продольных и поперечных волн и не зависят от механических напряжений, приложенных к материалу. Измеряя скорости УЗК можно определить упругие постоянные E, G, K, ν, и, следовательно, оценить поведение материала в условиях напряженного состояния. По скорости распространения волн для различных типов акустических колебаний упругие постоянные могут быть рассчитаны при помощи несложных формул, рассмотренных ниже.
Акустические колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью. Упругие волны характеризуются параметрами: длиной λ, частотой f и скоростью распространения С. Эти величины связаны зависимостью λ = С/f .
Рекомендуемые материалы
В зависимости от упругих свойств могут распространяться колебания различных типов, отличающиеся направлением смещения колеблющихся частиц. В связи с этим различают следующие типы колебаний: продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные, нормальные и др.
Если колебания частиц среды происходят в направлении, совпадающем с направлением распространения среды, то такие колебания называются продольными.
В неограниченной среде скорость распространения продольных волн равна , где Е – модуль объемной упругости (модуль Юнга); ρ - плотность среды; κ - коэффициент сопротивления окружающей среды.
Если направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны, то такие колебания называются поперечными или сдвиговыми. Они могут распространяться только в твердой среде, которая обладает упругостью формы, т.е. способна сопротивляться деформации сдвига. Скорость распространения сдвиговых волн в неограниченной среде определяется выражением: , где G – модуль сдвига; ρ - плотность среды.
На свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны или волны Релея. По характеру траектории частиц поверхностная волна как бы состоит из комбинаций продольных и поперечных волн. Поверхностную волну успешно применяют для выявления дефектов вблизи поверхности изделия.
Ультразвуковые поверхностные волны распространяются со скоростью, определяемой соотношением: , где G – модуль сдвига; ρ - плотность среды; К = (0,87 + 1,12ν)/(1 + ν).
Коэффициент Пуассона связан с модулем упругости и модулем сдвига соотношением ν = (Е/2G) – 1. Так как для большинства металлов G ≈ 0,38…0,4Е, то выполняется условие: Спр > Сп > Спов.
Точные измерения скоростей волн дают возможность определить также упругие постоянные высшего порядка, зависимости деформаций от напряжений. Такие измерения скорости могут поэтому коррелировать с напряжениями растяжения или сжатия, а также внутренними напряжениями или текстурой материала.
В общем виде линеаризированное уравнение, связывающее относительное изменение скорости распространения УЗ волн от одноосных напряжений, можно записать следующим образом: Dс/с = βσ, где β – акустоупругий коэффициент одноосных напряжений, зависящий от упругих постоянных второго (λ и μ) и третьего (l, m, n) порядков.
Для точного измерения скоростей волн требуется применение сложных методик контроля и установок. Измерения усложняются тем, что погрешности определения упругих постоянных примерно вдвое больше погрешностей измерения скоростей. Однако для определения напряженного состояния материала достаточно измерить лишь относительное изменение скорости различных типов волн.
В зависимости от решаемой задачи и размеров контролируемого объекта в некоторых случаях можно пользоваться достаточно простыми методами измерений, обеспечивающими необходимую точность определения величины Dс/с.
Методы акустической тензометрии условно можно разбить на три типа измерений:
1) абсолютного значения некоторого параметра, по которому впоследствии определяется контролируемый параметр;
2) изменения (или относительного изменения) абсолютного значения времени или скорости распространения;
Рекомендация для Вас - 34 Общие правила посадки декоративных древесных пород.
3) разности (или относительной разности) скоростей двух поляризованных колебаний с ортогональными плоскостями.
Относительная разность скоростей двух поляризованных УЗ волн получила название акустической анизотропии. Первые два типа измерений принципиально могут быть реализованы одними и теми же устройствами. Эти методы являются универсальными в том смысле, что пригодны для любых ультразвуковых волн, в то время как третий тип относится только к сдвиговым.
С целью решения практических задач с помощью акустических методов относительная погрешность измерений должна быть не больше (1-3)10-4. Для контроля величины натяга резьбовых деталей используют наиболее простой счетно-импульсный метод измерений временных параметров.
Напряжения в резьбовых деталях (болтах, шпильках) определяют путем измерения относительного изменения времени пробега УЗ волн до и после сборки соединения. В упругой области увеличение времени пробега пропорционально напряжению. Простые приборы, построенные с использованием этого принципа, обеспечивают необходимую точность определения напряжений.
Для повышения объема информации при определении физико-механических свойств измеряют скорости УЗ волн различных типов. Это достигается применением ЭМА-метода, обеспечивающего одновременно повышение точности измерения за счет устранения слоев контактной жидкости. Используя ЭМА-преобразователи, можно добиться излучения и приема одновременно трех волн – продольной и двух поперечных. Изменяя скорость и коэффициент затухания каждой волны, определяют анизотропию, упругие постоянные, главные направления кристаллографических осей. Измерив таким образом акустическую анизотропию, можно оценить некоторые технологические параметры металлических листов, например их штампуемость.
Итак, методы ультразвукового контроля не ограничиваются только одной дефектоскопией. Так, измеряя скорость распространения и коэффициент поглощения ультразвука в различных средах, можно судить об упругих параметрах материала – плотности, вязкости и модуле упругости, ибо они – то и определяют величины скорости и поглощения ультразвуковых колебаний. При этом появляется возможность связать данные подобных измерений со структурой испытуемых материалов. Например, по величине поглощения звука в металлах можно определять величину зерна, а следовательно, и структуру исследуемого металла. По данным измерений скоростей распространения продольных и поперечных ультразвуковых волн определяют упругие константы (модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициента Пуассона) металлов. А так как подобные измерения позволяют исследовать также кинетику процессов, происходящих в твердых телах, то этим методом можно контролировать напряженное состояние материала, например, измерять модули упругости сильно нагруженных железобетонных или стальных конструкций.
