Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ

Область техники

Изобретение относится к способу неразрушающего испытания и, в частности, к способу неразрушающего определения упругих свойств изотропного металлического материала при помощи ультразвуков.

Уровень техники

Существует постоянная потребность в наличии способов, позволяющих определять упругие свойства, такие как модуль Юнга или коэффициент Пуассона, деталей, выполненных из однородных и изотропных материалов. В частности, существует потребность в способе, относящемся к детали с изогнутыми наружными поверхностями. Определение модуля Юнга при помощи ультразвуковых волн известно для плоских деталей, но для сложных деталей, когда наружные поверхности изогнуты, очень трудно правильно разместить передатчики и приемники для получения надежных результатов.

Известным средством для оценки продольного модуля упругости, то есть модуля Юнга сложных деталей, является выполнение образцов в виде гантели, которую помещают между зажимами машин для растяжения. Однако выполнение образцов в виде гантелей не всегда возможно и может быть очень затратным для некоторых материалов. Кроме того, часто форма образца может намного отличаться от формы используемой детали. В зависимости от способа изготовления деталей измерение их модуля упругости не всегда может быть надлежащим.

Заявитель поставил перед собой задачу разработать способ неразрушающего контроля сложных деталей, в частности, имеющих изогнутые формы, и предлагает применять ультразвуковые волны для определения упругих свойств, таких как продольный модуль упругости и коэффициент Пуассона.

В документе US 3416365 описан метод определения упругих свойств детали с изогнутой поверхностью и заданной толщины, при помощи средства измерения продольных и поперечных волн, проходящих через материал, толщина которого известна, однако в этом документе не указано применение этого метода для детали, имеющей две толщины в разных направлениях.

Сущность изобретения

Согласно изобретению, способ определения упругих свойств детали с изогнутой поверхностью, включающий в себя излучение пучков ультразвуковых волн в направлении точки падения на поверхность детали таким образом, чтобы генерировать передачу волн в упомянутой детали, отличается тем, что, зная толщину d₁ детали в упомянутой точке падения в первом направлении D₁, перпендикулярном к касательной плоскости в этой точке, и толщину d₂ во втором направлении D₂, образующем определенный угол α относительно первого направления, осуществляют

- измерение времени t₁, необходимого передаваемым продольным волнам для прохождения в детали расстояния d₁ от упомянутой точки падения,

- измерение времени t₂, необходимого передаваемым поперечным волнам для прохождения в детали расстояния d₂ от упомянутой точки падения.

Модуль Юнга и/или коэффициент Пуассона материала определяют на основании продольной V_L=d₁/t₁ и поперечной V_T=d₂/t₂ скоростей.

Предпочтительно пучок ультразвуковых волн излучают через соединительную текучую среду, такую как вода.

Предпочтительно способ применяют для детали, выполненной из изотропного материала.

В частности, способ применяют для сферической детали, при этом d₁ соответствует диаметру сферы и d₂ соответствует длине хорды, образующей упомянутый угол α. Например, способ предпочтительно применяют для исследования металлических шариков, в частности, из нержавеющей стали; он представляет также интерес для шариков из керамического материала, такого как Si₃N₄, SiC или ZrO₂, которые используют в подшипниках качения. Однако способ не ограничивается сферической деталью и может применяться для более сложных форм, если есть возможность производить компьютерное моделирование, позволяющее математически предсказать путь ультразвуковых волн внутри детали.

Следует напомнить, что волны, передаваемые в детали, определены относительно плоскости границы раздела между деталью и внешней средой, которая служит отсчетом для определения поляризации поперечных и продольных волн. Эти волны поляризуются в сагиттальной плоскости, перпендикулярной к плоскости границы раздела, при этом поперечные волны генерируются при передаче продольных волн через границу раздела.

Известно, что упругие свойства металлического образца оказывают влияние на прохождение продольных и поперечных волн и на их скорость, что, в свою очередь, позволяет оценить упругие свойства на основании этих скоростей. Механика малых деформаций связывает скорости распространения продольных V_L и поперечных V_T волн с модулем Юнга Е и с коэффициентом Пуассона ν.

Для этого существуют следующие отношения:

E=ρV_T ²(3V_L ²-4V_T ²)/V_L ²-V_T ²)

ν=0,5(V_L ²-2V_T ²)/V_L ²-V_T ²)

Таким образом, вычислив скорости распространения V_L и V_T, получают параметры, позволяющие вычислить модуль Юнга и коэффициент Пуассона, и на их основании - другие характеристики материала.

Краткое описание фигур

Изобретение, его другие задачи, подробности, признаки и преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания детального описания вариантов выполнения изобретения, представленных исключительно в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:

фиг. 1 - схематичная иллюстрация в режиме отражения положения ультразвукового преобразователя относительно анализируемой сферы и два последовательных отражения продольной ультразвуковой волны от сферы.

Фиг. 2 - след на осциллоскопе изменения сигнала, производимого преобразователем в случае, показанном на фиг. 1, с эхо-сигналом на границе раздела и с отражением от дна сферы.

Фиг. 3 - схема, представленная не в масштабе, показывающая два последовательных положения излучающего преобразователя для генерирования поперечной волны, распространяющейся под углом 45° в направлении принимающего преобразователя, расположенного сбоку относительно передатчика на сфере.

Фиг. 4 - реализация монтажной схемы с использованием фокусированных излучающего и принимающего преобразователей.

Фиг. 5 - след сигнала, излучаемого излучающим щупом и отраженного от поверхности сферы.

Фиг. 6 - след сигнала, проходящего от излучающего преобразователя в принимающий преобразователь.

Фиг. 7 - изменение вычисляемой скорости поперечной волны в зависимости от угла падения.

Подробное описание изобретения

Для иллюстрации изобретения способ применили для исследования сферы из нержавеющей стали. В представленном примере сфера имеет следующие характеристики:

диаметр = 19,050 мм

масса = 28,1865 г

плотность ρ=7.789,2 кг/м³

- Измерение скорости распространения продольной волны

Преобразователь 2 погружают в соединительную текучую среду 3, которая является водой, вместе со сферой 1. Щуп, такой как Panametric V322-6 на 10 МГц, сфокусированный на 6 дюймов, электрически соединен с не показанным пультом управления и приема сигналов. Он размещен в режиме излучения-приема и ориентирован по оси, проходящей через центр сферы.

На основании траектории амплитуды произведенной ультразвуковой волны в зависимости от времени, как показано на фиг. 2, отмечают время t_L1 ее распространения между преобразователем 2 и границей раздела на поверхности сферы, с одной стороны, и время t_L2 распространения между преобразователем 2 и дном сферы с точки зрения преобразователя.

При этом на траектории, показанной на фиг. 2, отмечают следующие значения времени распространения:

t_L1=205,517 мкс

t_L2=211,897 мкс

Таким образом, скорость распространения V_L продольной волны является отношением двукратного диаметра сферы к времени прохождения:

V_L=2 х диаметр/(t_L2-t_L1), то есть в данном примере 38,10.10^-3 /6,380.10^-6=5.971,8 м/с.

- Измерение скорости V_T поперечной волны

Используют принцип распространения поперечной волны V_T в направлении D₂, образующем данный угол β относительно направления D₁ передаваемой продольной волны, посредством модальной конверсии согласно принципу законов Снелла/Декарта.

Определяют правильный угол падения θ, вызывающий распространение поперечной волны, образующей угол β, и время прохождения t₂ в сфере для этой поперечной волны. Выбранный угол равен 45°.

Способ описан со ссылками на фиг. 3; на этой фигуре датчики и шарик показаны не в масштабе, при этом шарик показан увеличенным по сравнению с датчиками. Для измерения t₂ измеряют отдельно время t_R передачи волн через соединительную текучую среду, затем время передачи t_m одновременно в детали и в соединительной текучей среде, затем скорректированное в случае необходимости время t_R вычитают из времени t_m.

Излучающий преобразователь 2 помещают вместе со сферой в соединительную текучую среду, принимающий преобразователь 4, такой как преобразователь под названием I3-1004-R 10 МГц 1′′ ⌀ 0,250′′, располагают сбоку на пересечении направления D₂ со сферой.

Таким образом, скорость распространения поперечной волны является отношением расстояния d₂, разделяющего точку падения ультразвуковой волны и пересечение со сферой в этом направлении D₂:d₂=R.2^1/2.

На первом этапе измеряют точное время прохождения t_R волны для данного угла θ от поверхности датчика до нормали к сфере. Соединительная текучая среда позволяет избежать наложения друг на друга эхо-сигналов.

Переведя преобразователь в режим излучения-приема, определяют максимум амплитуды отраженного сигнала. Этот максимум амплитуды показывает, что сигнал является нормальным к сфере для рассматриваемого угла θ. Поскольку мы находимся в режиме излучения/приема, время прохождения составляет половину от времени, измеренного на экране осциллоскопа.

Затем датчик перемещают горизонтально, чтобы перевести пучок к вершине сферы. Перемещение вычисляют в зависимости от радиуса R сферы R.tgθ.

На этом втором этапе измеряют время прохождения t_m волны до принимающего преобразователя 4.

Скорость поперечной волны является отношением расстояния d₂, проходимого этой волной, к времени t₂, необходимому для его прохождения. Необходимо корректировать измерение времени прохождения вследствие того, что, поскольку преобразователь был перемещен горизонтально, волна проходит более короткое расстояние.

Коррекцию пути А для времени t_А можно записать следующим образом:

t_A=R.(1-cosθ)/cosθ.V_вода, где V_вода является скоростью распространения в воде.

При этом измеренное время t_m является суммой времени (t_R-t_A), соответствующего пути от преобразователя до поверхности сферы и времени t₂ пути вдоль хорды d₂.

Таким образом, время пути t₂ равно: t₂=t_m-(t_R-t_A).

Скорость поперечной волны является отношением пути d₂=R√2 к времени, необходимому для прохождения этого расстояния: V_T=d₂/t₂.

Для угла θ, равного 19°, получают следующие значения (измерение времени по точному цифровому осциллоскопу Ins):

V_вода=1486,5 м/с

2.t_R=202,63 мкс (фиг. 5)

t_m=105,02 мкс (фиг. 6)

перемещение: R.tgθ=3,279 мм

t_A=R.(1-cosθ)/cosθ.V_вода=0,3692 мкс

d=√2.R=13,470 мм

V_T=3 306,2 м/с

Значение 19° угла θ является оценочным. Для получения нормального значения угла θ осуществляют измерения вокруг этого оценочного значения. Таким образом, вышеуказанную операцию возобновляют для углов θ, находящихся в пределах от 17° до 23°.

Отмечают вычисленные значения скоростей

при 17° V_T=3 323,7 м/с

при 18° V_T=3 326,1 м/с

при 19° V_T=3 306,2 м/с

при 20° V_T=3 284,4 м/с

при 21° V_T=3 304,8 м/с

при 22° V_T=3 302,3 м/с

при 23° V_T=3 314,5 м/с

Кривая, полученная и показанная на фиг. 7, имеет минимальную точку скорости; скорость, соответствующая минимальной точке, связана с наиболее коротким путем по отношению к расстоянию, разделяющему два преобразователя.

Таким образом, V_T=3 284,4 м/с.

Значения, полученные для скоростей передачи звуковой волны, позволяют вычислить характеристические параметры детали.

- Вычисление механических характеристик стального шарика

ρ=7 789,2 кг/м³

V_L=5 971,8 м/с

V_T=3 284,4 м/с

E=ρV_T2(3V_L ²-4V_T ²)/(V_L ²-V_T ²)=215,6 ГПа

ν=0,5(V_L ²-2V_T ²)/(V_L ²-V_T ²)=0,283

- Вычисление механических характеристик шарика из нитрида кремния Si₃N₄

ρ=3 166,5 кг/м³

V_L=11 202 м/с

V_T=6 041,8 м/с

E=ρV_T2(3V_L ²-4V_T ²)/(V_L ²-V_T ²)=299,3 ГПа

ν=0,5(V_L ²-2V_T ²)/(V_L ²-V_T ²)=0,295

Необходимо отметить, что для обеспечения точного измерения следует использовать принимающий преобразователь 4 с очень коротким фокусным расстоянием и, следовательно, небольшим радиусом кривизны, что позволяет шарику располагаться по центру таким образом, чтобы его ось идеально совпадала с геометрической осью преобразователя, и на фиг. 4 показана предпочтительная конфигурация.