Technologie nedestruktivního testování a její aplikace (4)

Ultrazvukové difrakční a rozptylové charakteristiky:

Když se ultrazvuková vlna šíří médiem, narazí na heterogenní rozhraní (např. defekt). Podle Huygensova principu dochází na jeho okraji k difrakčnímu jevu a vzniká nově excitovaná difrakční vlna. ze zdánlivého hlediska může původní ultrazvuková vlna dále postupovat kolem defektu, ale za defektem se vytvoří akustický stín (prostor bez ultrazvukového vlnění). Novou difraktovanou vlnu lze použít k vyhodnocení hloubky povrchové trhliny nebo výšky vnitřní trhliny. V Číně se tato metoda nazývá metoda okrajové regenerativní vlny a v zahraničí se nazývá metoda hrotové difrakční vlny. Fenomén tvorby zvukového stínu se používá pro detekci průniku ultrazvuku, to znamená, když ultrazvukové vlny narazí na defekty na svých zvukových cestách v důsledku odrazu, difrakce, rozptylu atd., a kvůli abnormální mikrostruktuře materiálu kontrolovaného obrobku způsobí útlum energie šíření ultrazvuku, takže akustická energie přijatá za normálních podmínek může být nižší a akustický rozdíl přijatý na druhém konci akustické dráhy. se projeví pomocí displeje ultrazvukového defektoskopu nebo přímo pomocí indikace elektroměru. Používá se jako základ pro kontrolu a hodnocení, ultrazvukový měřič tloušťky může být použit pro detekci defektů plechových, kompozitních nebo lepených struktur, jako je delaminace, debonding atd., a může být také použit pro praskání špiček malých elektrických spínačů. Ultrazvuková difrakce (regenerační vlna) určuje hloubku trhliny.

Postříbřená kontaktní kontrola kvality a další. Výhodou je snadná implementace automatické detekce, nevýhodou však je, že nelze znát velikost defektu a umístění defektu a jsou striktně vyžadovány vzájemné polohy obou sond. Když se ultrazvuková vlna šíří v médiu, její vlastní difúze čela vlny způsobí, že zvuková energie procházející jednotkovou plochou kolmou ke směru zvukového paprsku se s rostoucí vzdáleností šíření snižuje, což se nazývá difúzní útlum, což je samotný ultrazvuk. Charakteristika souvisí s úhlem šíření paprsku 2θ (θ je polodifúzní úhel ultrazvukového paprsku). Ultrazvuková vlna je navíc v rozhraní zrn materiálu, fázovém bodě, případně akustická impedance suspendovaných částic, nečistot, bublin apod. v médiu (hodnota je rovna součinu rychlosti zvuku a hustoty) (i když jde o nepatrný rozdíl). Stav rozptylu souvisí s vlnovou délkou ultrazvukové vlny a velikostí rozptylující částice (střední průměr krystalového zrna). V kovovém materiálu lze poměr vlnové délky λ k průměrnému průměru krystalových zrn rozdělit do tří stavů rozptylu: Rayleighův rozptyl: 'je-li λ, je stupeň rozptylu úměrný čtvrté mocnině frekvence, což je většina kovu. náhodný rozptyl: ≈λ, stupeň rozptylu je úměrný takové čtverci je obvykle digrasivní frekvence; rozptyl: ≥ λ, míra rozptylu je nepřímo úměrná, což je často vyjádřeno v V případě, že je povrch detekovaného povrchu obrobku drsný, je způsobena difúzní rozptylová ztráta dopadající akustické energie na rozhraní Podobná metafora pro tuto situaci může být, jako by se světla auta rozptýlila v mlžném počasí a nemohla prosvítit skrz akustický jev kvůli mlze kolmo k dráze zvuku je snížena, to znamená, že je způsoben útlum rozptylu Přestože existence tohoto rozptylového jevu v metodě detekce ultrazvukového odrazu snižuje nejen schopnost pronikání ultrazvukové vlny, ale také ruší diskriminaci ozvěny, může být také vrácena do ultrazvukové vlny superponovaným dozvukem ve formě ozvěny plevele Vyhodnocením úrovně rušení lze posuzovat a hodnotit mikrostrukturu kovového materiálu Zejména v leteckém průmyslu se hodnocení úrovně rušení stalo důležitým ukazatelem v akceptačních kritériích pro ultrazvukové testování výkovků z titanové slitiny.

Charakteristiky ultrazvukového útlumu Kromě rozptylového útlumu popsaného v předchozí části je další důležitou příčinou útlumu energie při přenosu ultrazvukových vln materiálem útlum způsobený vnitřní absorpcí, která souvisí s viskozitou materiálu, vedením tepla, hraničním třením, jev relaxace souvisí se ztrátou formy dislokace pohybu ultrazvuku a migrací soluního atomu (např. hustota dislokací, změna délky, přítomnost děr a nečistot) a pohyb stěny magnetické domény, Zbytkové napětí způsobuje poruchy zvukového pole...atd. Mohou způsobit útlum ultrazvukové energie, který odpovídá rozptylovému útlumu v horní části. Útlum ultrazvukové energie způsobený těmito důvody označujeme jako absorpci absorbce. Je vidět, že mechanismus útlumu ultrazvukových vln v materiálu je velmi komplikovaný. Uvažujeme o komplexním útlumu. Předpokládejme, že amplituda akustického tlaku ve zdroji vzdálenosti X=0 je P0 a amplituda akustického tlaku po vzdálenosti X je PX, pak: PX =P0·e-αx, kde α se nazývá koeficient útlumu, který lze rozdělit na dvě části, a to: α=αs+αa, kde αs je koeficient absorpce rozptylu a koeficient útlumu. Proto je koeficient útlumu vyjádřený v α komplexním parametrem materiálu, který se obecně zvyšuje se zvyšující se ultrazvukovou frekvencí. Při ultrazvukovém zkoušení je možné určit míru snížení akustické energie po průchodu ultrazvukové vlny materiálem (například vyhodnocení míry snížení amplitudy ozvěny spodní plochy obrobku při metodě ultrazvukového pulzního odrazu) se nazývá vyhodnocení ztráty spodní vlny nebo ztráta spodního odrazu, neboli ultrazvuková vlna. Penetrační metodu lze použít k posouzení povahy, morfologie a distribuce mikrostruktury materiálu, jako je detekce hrubých krystalů kovových materiálů, přehřívání a přepalování, (přehřátá struktura u kovových výkovků), karbidů. Rovnoměrnost, rychlost sferoidizace karbidu tvárné litiny, pevnost v tahu uhlíkové oceli při pokojové teplotě, měření napětí a podobně. 

Dostupné údaje zavádějí použití zobrazení rušení způsobeného rozptylem a vyhodnocení útlumu amplitudy ozvěny pro posouzení rozteče cementitové vrstvy v perlitové struktuře kola lokomotivy (perlitová ocel s obsahem uhlíku 0,53~0,61 %). Určete mez kluzu a odolnost kola proti opotřebení. Existují také zprávy o použití charakteristik útlumu ultrazvuku při únavovém testování materiálů (při únavové zkoušce může vnitřní tření a deformace mřížky uvnitř vzorku způsobit rozptyl ultrazvuku a místní plastická deformace lomového povrchu může způsobit absorpci ultrazvukové energie). Používá se pro hodnocení lomové houževnatosti oceli. Kombinací charakteristik útlumu ultrazvuku s charakteristikou rychlosti zvuku lze například určit obsah vodíku ve slitinách titanu (snížení rizika vodíku ve slitinách titanu) a posoudit kvalitu stárnutí hliníkových slitin, Rychlostní charakteristiky ultrazvukových vln stejného typu vln mají různé rychlosti šíření v různých materiálech a ve stejném materiálu mají také různé rychlosti šíření ultrazvukových vln. Když se mění nebo mění složení, mikrostruktura, hustota, inkluzní poměr, koncentrace, rychlost konverze polymeru, síla, teplota, vlhkost, tlak (napětí), průtoková rychlost materiálu, bude se měnit i rychlost zvuku. Pomocí speciálního testeru rychlosti zvuku nebo konvenčního defektoskopu nebo tloušťkoměru porovnat materiál neznámé rychlosti zvuku se standardním vzorkem o známé rychlosti zvuku a rychlosti zvuku použít: (1) Stanovení fyzikálních konstant materiálů, jako jsou: podle vztahu ve fyzice obecně: rychlost zvuku C = (E / ρ) 1/2, kde ρ je hustota materiálu, E je modul pružnosti materiálu . Protože rychlost zvuku je ovlivněna anizotropií, tvarem a rozhraním materiálu a příslušné moduly pružnosti se používají v závislosti na formě kmitání ultrazvukové vlny, rychlost podélné vlny v plynu a kapalině (pouze v plynu a kapalině) Podélná vlna má: CL = (K / ρ0) 1/2, kde K je kapacitní modul pružnosti (objemový modul pružnosti a modul pružnosti v médiu) akustické vlny. V pevných látkách: rychlost ultrazvukové podélné vlny šířící se axiálně v tenké tyči o průměru menším než je ultrazvuková vlnová délka je: Cl = (E / ρ) 1/2, kde E je Youngův modul materiálu a ρ je průměr hustoty materiálu. Šíření podélných ultrazvukových vln v axiálním směru tlusté tyče větší než délka ultrazvuku. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K ve vzorci 1/2 je kapacitní modul pružnosti (objemový modul pružnosti) materiálu, G je modul pružnosti materiálu ve smyku a σ je poměr síly v materiálu (délkový poměr síly v materiálu) směru, boční deformace vzniká i ve svislém směru a poměr mezi nimi se nazývá Poissonův poměr, což je jedna z fyzikálních vlastností materiálu). Rychlost zvuku smykové vlny je: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 Rychlost zvuku Rayleighovy vlny je: CR=[(0,87+1,12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. když je změřena rychlost zvuku a je znám další parametr, lze vypočítat další parametry.

(2) Měření teploty: Rychlost zvuku v médiu souvisí s teplotou média. Tuto charakteristiku lze použít pro měření teploty bezkontaktního média. Dále může být použit k indikaci bodu tání, bodu varu a fázové změny média a k měření měrného tepla média. Teplo tání je teplo reakce a teplo spalování se měří a měří se čistota a molekulová hmotnost média.

(3) Měření průtoku: Když se ultrazvukové vlny šíří v proudícím médiu (jako jsou potrubí pro přenos plynu, kapaliny nebo tekutiny obsahující určitý podíl pevných částic nebo vodní kanály.), je rychlost šíření odlišná od rychlosti za statických podmínek s ohledem na pevný souřadnicový systém. Vztahuje se k průtoku média, takže průtok lze určit na základě změny rychlosti zvuku a dále určit průtok (plocha průřezu tekutiny x průtok). (4) Měření viskozity kapaliny η: Podle smykové akustické impedance Z a (η·ρ) 1/2 (η je viskozita kapaliny, ρ je hustota kapaliny) a akustické impedance Z=ρ·C, proto lze měřením rychlosti zvuku a určením hustoty kapaliny určit hustotu kapaliny. (5) Měření napětí: Rychlost šíření ultrazvukových vln v materiálu se přibližně lineárně mění s aplikovaným napětím (tzv. ultrazvukový stresový efekt), takže jej lze použít k měření pevnosti předpjatého betonu, pevnosti a zbytkového napětí kovu a upevnění. Napětí v tahu na kus (jako je upevňovací šroub). (6) Měření tvrdosti: Tvrdost kovové povrchové kalené vrstvy lze určit pomocí charakteristiky změny rychlosti vlny v kalené vrstvě kovového povrchu.

(7) Určení hloubky trhliny na povrchu kovu: rozdíl mezi časem, kdy je vlna přenášena přímo po povrchu kovu, a dobou, kdy je přítomna povrchová trhlina a vlna je trhlinou obejita. Podle rychlosti šíření Rayleighovy vlny ji lze vypočítat podle hloubky trhliny. Tato metoda se nazývá metoda časového zpoždění nebo metoda doby průchodu, metoda Δt.

(8) Měření tloušťky: Podle vztahu mezi vzdáleností šíření ultrazvuku X a rychlostí zvuku C a dobou přenosu t: X=C·t, například když se měří tloušťka metodou odrazu ultrazvukového impulsu, tloušťka obrobku d=C·t/2. Důvodem pro použití jmenovatele 2 je zde to, že ultrazvuková sonda vysílá ultrazvukový impuls ke spodnímu povrchu obrobku a je přijímána odrazná zpětná sonda, takže průchody zvuku jsou dvakrát větší než tloušťka obrobku.

Pomocí rychlostních charakteristik ultrazvukových vln jej lze také aplikovat na měření pevnosti litiny s kuličkovým grafitem a stupně sferoidizace grafitu, určování vlhkosti keramického nepáleného litiny pro určení načasování výpalu v peci a analýzu charakteristik plynného média (například čistotu průmyslového kyslíku a dusíku). rychlost metabolismu živočišného dýchání má změnu obsahu složky v plynu atd., stejně jako hustotu ropné frakce, neoprenového latexu.

Metoda ultrazvukového časového zpoždění se používá ke stanovení hustoty kapaliny hloubky povrchové trhliny a podobně. Stručně řečeno, použití ultrazvukových rychlostních charakteristik, zejména v průmyslové měřicí technice, je četné. Ultrazvuk je druh mechanické vibrační vlny. Ultrazvukový rezonátor můžeme použít k vhánění ultrazvukové vlny s nastavitelnou frekvencí (hlavně pomocí podélné vlny) do kontrolovaného obrobku. Když ultrazvuková vlna rezonuje s vlastní frekvencí obrobku, šíří se dopadající vlna opačného směru. Odražené vlny jsou na sebe superponovány a vytvářejí stojatou vlnu, což je tloušťková rezonance kolmo dopadající podélné vlny. S touto rezonanční charakteristikou ji lze aplikovat na následující aspekty:

(1) Měření tloušťky:
Tloušťka piezokeramický diskový měnič je d a vlnová délka ultrazvukové vlny, která se v něm šíří, je λ, která se získá, když dojde k rezonanci: d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2, kde n je libovolné kladné celé číslo, to znamená, že tloušťka obrobku v tomto čase, který má být kontrolován, je rovna násobku kontrolované délky a násobku integrální vlny ultrazvuková vlna. Když je známa ultrazvuková rychlost C materiálu zkušebního vzorku, podle vztahu mezi rychlostí zvuku, vlnovou délkou a frekvencí: C = λ · f, lze získat ultrazvukovou frekvenci v době tloušťkové rezonance: fn = C / λn = n · C / 2d Když n=1, f1=C/2d, což je základní rezonanční frekvence tloušťky. Protože rozdíl mezi frekvencemi libovolných dvou sousedních harmonických je roven základní frekvenci, existují: fn-fn-1=nf1-(N-1) f1=f1, takže frekvence dvou sousedních harmonických v tloušťkové rezonanci může být určena rezonátorem a tloušťka obrobku je: d=C/[2(fn-fn-1) harmonické frekvence jsou nesadné a fn-1)] fn, respektive, protože: fm-fn=(mn)f1.

(2) Detekce vad:
Pokud je v kontrolovaném obrobku vada, změní se národní frekvence ve srovnání se stejným obrobkem bez vad a změní se také stav rezonance (změny rezonanční frekvence), takže lze odpovídajícím způsobem zjistit existenci vady. Používá se například k měření tvrdosti kovů, ke kontrole kvality bodového svařování plechu, zejména na vady spojování kompozitních materiálů a lepených struktur (jako nespojené, rozpojené, špatný gel atd.) a zjišťování pevnosti spoje. akustická metoda detekce vibrací je určena pro kontrolu kvality lepených spojů.

Typickou aplikací ultrazvukových rezonančních charakteristik je ultrazvukový tvrdoměr, který měří tvrdost pomocí změny rezonanční frekvence tyče ultrazvukového snímače. Používá se především ke stanovení tvrdosti kovu a lze jej použít i pro jiná měření srovnávací metodou. Ultrazvukové měření tvrdosti má výhody v minimálním poškození povrchu zkušebního tělesa, rychlé rychlosti měření a jednoduchém postupu obsluhy. Je zvláště vhodný pro 100% kontrolu hotových obrobků a může přímo detekovat obrobek přidržením sondy, zvláště vhodný pro velké váhy, které se obtížně pohybují. Součásti obrobků, které nelze snadno rozebrat, které se měří. Následuje příklad ultrazvukového tvrdoměru, který vyrobil. Při rovnoměrném kontaktním tlaku je hrot snímače v kontaktu s povrchem zkušebního kusu a rezonanční frekvence snímače bude sledovat zkušební kus. Tvrdost zkušebního tělesa se zjišťuje měřením změny rezonanční frekvence snímače.