Teknologi pengujian non-destruktif dan penerapannya (4)

Karakteristik difraksi dan hamburan ultrasonik:

Ketika gelombang ultrasonik merambat melalui medium, ia menemui antarmuka yang heterogen (seperti cacat). Menurut prinsip huygens, fenomena difraksi terjadi pada tepinya, dan gelombang difraksi tereksitasi baru dihasilkan. dari sudut pandang nyata, gelombang ultrasonik asli dapat terus bergerak di sekitar cacat, tetapi bayangan akustik (ruang tanpa gelombang ultrasonik) terbentuk di belakang cacat. Gelombang terdifraksi baru dapat digunakan untuk mengevaluasi kedalaman retakan permukaan atau tinggi retakan internal. Di Cina, metode ini disebut metode gelombang regeneratif tepi, dan di luar negeri disebut metode gelombang difraksi ujung. Fenomena pembentukan bayangan bunyi digunakan untuk pendeteksian penetrasi ultrasonik, yaitu ketika gelombang ultrasonik menemui cacat pada jalur bunyinya, akibat pemantulan, difraksi, hamburan, dan lain-lain, serta karena struktur mikro yang tidak normal pada bahan. benda kerja yang akan diperiksa, Hal ini akan menyebabkan redaman energi rambat ultrasonik, sehingga energi akustik yang diterima di ujung jalur akustik yang lain lebih rendah daripada energi akustik yang diterima dalam kondisi normal, dan perbedaannya dapat dipantulkan dengan menggunakan tampilan detektor cacat ultrasonik atau secara langsung. menggunakan indikasi meteran listrik. Digunakan sebagai dasar pemeriksaan dan evaluasi, pengukur ketebalan ultrasonik dapat digunakan untuk mendeteksi cacat pada lembaran, struktur komposit atau terikat, seperti delaminasi, debonding, dll., dan juga dapat digunakan untuk ujung retak pada sakelar listrik kecil. Difraksi ultrasonik (gelombang regeneratif) menentukan kedalaman retakan.

Pemeriksaan kualitas kontak berlapis perak dan banyak lagi. Keuntungannya adalah mudah untuk menerapkan deteksi otomatis, tetapi kelemahannya adalah ukuran cacat dan lokasi cacat tidak dapat diketahui, dan posisi relatif kedua probe sangat diperlukan. Ketika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, difusi muka gelombangnya sendiri akan menyebabkan energi bunyi yang melewati satuan luas tegak lurus arah pancaran bunyi semakin berkurang seiring bertambahnya jarak rambat, yang disebut redaman difusi, yaitu ultrasonik itu sendiri. Karakteristik tersebut berkaitan dengan sudut sebaran berkas 2θ (θ adalah sudut semi-difusi berkas ultrasonografi). Selain itu, gelombang ultrasonik berada pada batas butir material, titik fase, atau impedansi akustik partikel tersuspensi, pengotor, gelembung, dll. dalam medium (nilainya sama dengan produk kecepatan suara dan kepadatan) (walaupun perbedaannya sedikit). Keadaan hamburan berhubungan dengan panjang gelombang gelombang ultrasonik dan besarnya partikel hamburan (diameter butiran kristal rata-rata). Dalam bahan logam, rasio panjang gelombang λ dengan diameter rata-rata butiran kristal dapat dibagi menjadi tiga keadaan hamburan: Hamburan Rayleigh: 'ketika λ, derajat hamburan sebanding dengan pangkat empat frekuensi, yang merupakan mayoritas logam. hamburan acak: ≈λ, derajat hamburan sebanding dengan kuadrat frekuensi, seperti yang biasanya terjadi pada coran butiran kasar; hamburan difus: ≥ λ, derajat hamburan berbanding terbalik dengan, yang sering dinyatakan dalam kasus di mana permukaan benda kerja yang terdeteksi kasar, hilangnya hamburan difusi energi akustik yang terjadi pada antarmuka disebabkan. Metafora serupa untuk situasi ini dapat terjadi seolah-olah lampu mobil tersebar dalam cuaca berkabut dan tidak dapat bersinar melalui kabut, energi akustik melalui area satuan yang tegak lurus terhadap jalur suara berkurang, yang menyebabkan redaman hamburan adanya fenomena hamburan dalam metode deteksi pantulan pulsa ultrasonik tidak hanya mengurangi kemampuan penetrasi gelombang ultrasonik tetapi juga mengganggu diskriminasi gema, juga dapat dikembalikan ke gelombang ultrasonik dengan gema yang ditumpangkan dari gelombang ultrasonik yang tersebar pada bahan logam. Setelah probe diterima, ditampilkan pada tampilan detektor cacat ultrasonik dalam bentuk gema gulma. Dengan mengevaluasi tingkat kekacauan, struktur mikro bahan logam dapat dinilai dan dievaluasi tingkat kekacauan telah menjadi indikator penting dalam kriteria penerimaan pengujian ultrasonik pada tempa paduan titanium.

Karakteristik redaman ultrasonik Selain redaman hamburan yang dijelaskan pada bagian sebelumnya, penyebab penting lainnya dari redaman energi ketika gelombang ultrasonik ditransmisikan melalui material adalah redaman akibat penyerapan internal, yang terkait dengan viskositas material, konduksi panas, gesekan batas, Fenomena relaksasi terkait dengan hilangnya energi ultrasonik dalam bentuk panas dan migrasi atom zat terlarut, selain gerakan dislokasi (seperti kepadatan dislokasi, perubahan panjang, adanya lubang dan pengotor) dan gerakan dinding domain magnetik, Tegangan sisa menyebabkan gangguan medan suara...dll. Mereka dapat menyebabkan redaman energi ultrasonik, yang berhubungan dengan redaman hamburan di bagian atas. Kami menyebut redaman energi ultrasonik yang disebabkan oleh alasan-alasan ini sebagai penyerapan penyerapan. Terlihat mekanisme redaman gelombang ultrasonik pada material sangat rumit. Kami mempertimbangkan redaman komprehensif. Asumsikan amplitudo tekanan bunyi pada sumber jarak X=0 adalah P0, dan amplitudo tekanan bunyi setelah jarak X adalah PX, maka: PX =P0·e-αx, dimana α disebut koefisien redaman, yang dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu: α=αs+αa, dimana αs adalah koefisien redaman hamburan dan αa adalah koefisien redaman serapan. Oleh karena itu, koefisien atenuasi yang dinyatakan dalam α adalah parameter komprehensif suatu material, yang umumnya meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi ultrasonik. Dalam pengujian ultrasonik, dimungkinkan untuk menentukan tingkat pengurangan energi akustik setelah gelombang ultrasonik melewati material (misalnya, evaluasi tingkat pengurangan amplitudo gema permukaan bawah benda kerja dalam metode refleksi pulsa ultrasonik) disebut evaluasi kehilangan gelombang bawah atau kehilangan refleksi bawah, atau gelombang ultrasonik. Metode penetrasi dapat digunakan untuk menilai sifat, morfologi dan distribusi struktur mikro material, seperti deteksi kristal kasar bahan logam, overheating dan over-burning, (struktur overheat pada tempa logam), karbida. Keseragaman, laju spheroidisasi karbida besi ulet, kekuatan tarik baja karbon suhu kamar, pengukuran tegangan, dan sejenisnya. 

Data yang tersedia memperkenalkan penggunaan tampilan kekacauan yang disebabkan oleh hamburan dan evaluasi atenuasi amplitudo gema untuk menilai jarak lapisan sementit dalam struktur perlit roda lokomotif (baja perlit dengan kandungan karbon 0,53~0,61%). Tentukan batas luluh dan ketahanan aus roda. Ada juga laporan tentang penggunaan karakteristik atenuasi ultrasonik dalam pengujian kelelahan material (dalam pengujian kelelahan, gesekan internal dan distorsi kisi di dalam spesimen dapat menyebabkan hamburan ultrasonik, dan deformasi plastis lokal pada permukaan yang retak dapat menyebabkan energi ultrasonik diserap). Digunakan untuk evaluasi ketangguhan patah baja. Menggabungkan karakteristik redaman ultrasonik dengan karakteristik kecepatan suara dapat digunakan untuk menentukan, misalnya, kandungan hidrogen dalam paduan titanium (mengurangi risiko hidrogen dalam paduan titanium) dan untuk menilai kualitas penuaan paduan aluminium, Karakteristik kecepatan gelombang ultrasonik dari jenis gelombang yang sama memiliki kecepatan rambat yang berbeda pada bahan yang berbeda, dan pada bahan yang sama, gelombang ultrasonik dari jenis gelombang yang berbeda juga memiliki kecepatan rambat yang berbeda. Ketika komposisi, struktur mikro, kepadatan, rasio inklusi, konsentrasi, laju konversi polimer, kekuatan, suhu, kelembaban, tekanan (tekanan), laju aliran bahan bervariasi atau berubah, kecepatan suara juga akan bervariasi. Menggunakan penguji kecepatan suara khusus atau detektor cacat jenis refleksi pulsa ultrasonik konvensional atau pengukur ketebalan untuk membandingkan bahan yang kecepatan suara tidak diketahui dengan sampel standar kecepatan suara yang diketahui, sehingga kecepatan suara atau kecepatan suara bahan dapat diukur dan dapat diterapkan: (1) Penentuan konstanta fisika bahan, seperti sebagai: menurut hubungan dalam ilmu fisika, secara umum: cepat rambat bunyi C = (E / ρ) 1/2, dimana ρ adalah massa jenis bahan, E adalah modulus elastisitas bahan. Karena kecepatan suara dipengaruhi oleh anisotropi, bentuk dan antarmuka material, dan modulus elastis masing-masing digunakan tergantung pada bentuk getaran gelombang ultrasonik, kecepatan gelombang longitudinal dalam gas dan cairan (hanya dalam gas dan cairan) Gelombang longitudinal memiliki: CL = (K / ρ0) 1/2, di mana K adalah modulus elastis kapasitif (modulus elastis volumetrik) material, dan ρ0 adalah kerapatan statis asli medium dengan adanya akustik gelombang. Pada padatan: kecepatan gelombang longitudinal ultrasonik yang merambat secara aksial pada batang tipis yang diameternya lebih kecil dari panjang gelombang ultrasonik adalah: Cl = (E / ρ) 1/2, dimana E adalah modulus Young material, dan ρ adalah diameter densitas material.Rambatan gelombang longitudinal ultrasonik pada arah aksial batang tebal lebih besar dari panjang gelombang ultrasonik. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K pada rumus 1/2 adalah modulus elastis kapasitif (modulus elastis volumetrik) bahan, G adalah modulus elastis geser bahan, dan σ adalah rasio poisson bahan (bahan berada dalam gaya, Bila terjadi regangan longitudinal pada bahan arah, regangan lateral juga dihasilkan dalam arah vertikal, dan rasio di antara keduanya disebut rasio poisson, yang merupakan salah satu sifat fisik material). Kecepatan suara gelombang geser adalah: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 Kecepatan suara gelombang Rayleigh adalah: CR=[(0.87+1.12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. ketika kecepatan suara diukur dan parameter lain diketahui, parameter lain dapat dihitung.

(2) Mengukur suhu: Kecepatan bunyi dalam suatu medium berhubungan dengan suhu medium. Karakteristik ini dapat digunakan untuk mengukur suhu media non-kontak. Selanjutnya dapat digunakan untuk menunjukkan titik leleh, titik didih dan perubahan fasa medium, dan untuk mengukur panas spesifik medium. Panas peleburan adalah panas reaksi dan panas pembakaran diukur, dan kemurnian serta berat molekul medium diukur.

(3) Mengukur laju aliran: Ketika gelombang ultrasonik merambat dalam media yang mengalir (seperti pipa transfer gas, cairan atau fluida yang mengandung sejumlah partikel padat, atau saluran air.), kecepatan rambatnya berbeda dari kecepatan rambat dalam kondisi statis sehubungan dengan sistem koordinat tetap. Hal ini berkaitan dengan laju aliran medium, sehingga laju aliran dapat ditentukan berdasarkan perubahan cepat rambat bunyi dan laju aliran (luas penampang fluida x laju aliran) dapat ditentukan lebih lanjut. (4) Mengukur kekentalan zat cair η: Berdasarkan impedansi akustik geser Z dan (η·ρ) 1/2 (η adalah kekentalan zat cair, ρ adalah massa jenis zat cair), dan impedansi akustik Z=ρ·C, oleh karena itu Dengan mengukur cepat rambat bunyi dan menentukan massa jenis zat cair, maka massa jenis zat cair dapat ditentukan. (5) Pengukuran tegangan: Kecepatan rambat gelombang ultrasonik pada material mengalami perubahan kira-kira linier dengan tegangan yang diberikan (disebut efek tegangan ultrasonik), sehingga dapat digunakan untuk mengukur kekuatan pratekan beton, kekuatan dan tegangan sisa logam, serta pengikatannya. Tegangan tarik pada suatu benda (seperti baut pengikat). (6) Pengukuran kekerasan: Kekerasan lapisan permukaan logam yang mengeras dapat ditentukan dengan menggunakan karakteristik perubahan kecepatan gelombang pada lapisan permukaan logam yang mengeras.

(7) Menentukan kedalaman retakan pada permukaan logam: perbedaan antara waktu ketika gelombang merambat langsung sepanjang permukaan logam dan waktu ketika terdapat retakan permukaan dan gelombang dilewati oleh retakan tersebut. Berdasarkan kecepatan rambat gelombang Rayleigh, kedalaman retakan dapat dihitung. Metode ini disebut metode waktu tunda atau metode waktu transit, metode Δt.

(8) Ketebalan pengukuran: Berdasarkan hubungan antara jarak rambat ultrasonik X dan kecepatan suara C serta waktu transmisi t: X=C·t, misalnya saat mengukur ketebalan dengan metode refleksi pulsa ultrasonik, ketebalan benda kerja d=C·t/2. Alasan penggunaan penyebut 2 di sini adalah karena probe ultrasonik memancarkan pulsa ultrasonik ke permukaan bawah benda kerja dan probe balik reflektif diterima, sehingga jalur suara yang dilewati dua kali ketebalan benda kerja.

Dengan menggunakan karakteristik kecepatan gelombang ultrasonik, hal ini juga dapat diterapkan pada, pengukuran kekuatan besi cor grafit spheroidal dan derajat spheroidisasi grafit, penentuan kelembaban batako keramik untuk menentukan waktu pembakaran di kiln, dan analisis karakteristik media gas (misalnya kemurnian oksigen dan nitrogen industri). laju metabolisme respirasi hewan memiliki perubahan kandungan suatu komponen dalam gas, dll.serta kepadatan fraksi minyak bumi, lateks neoprena.

Metode waktu tunda ultrasonik digunakan untuk menentukan kepadatan cairan kedalaman retak permukaan dan sejenisnya. Singkatnya, penerapan karakteristik kecepatan ultrasonik, khususnya dalam teknologi pengukuran industri sangat banyak. Ultrasonikadalah sejenis gelombang getaran mekanis. Kita dapat menggunakan resonator ultrasonik untuk menyuntikkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi yang dapat disesuaikan (terutama menggunakan gelombang longitudinal) ke dalam benda kerja yang akan diperiksa. Ketika gelombang ultrasonik beresonansi dengan frekuensi alami benda kerja, gelombang datang dari arah yang berlawanan merambat. Gelombang pantulan tersebut saling bertumpukan membentuk gelombang berdiri, yang merupakan resonansi ketebalan gelombang longitudinal yang datang secara tegak lurus. Dengan karakteristik resonansi ini dapat diterapkan pada aspek-aspek berikut:

(1) Pengukuran ketebalan:
Ketebalan transduser cakram keramik piezo adalah d, dan panjang gelombang gelombang ultrasonik yang merambat di dalamnya adalah λ, yang diperoleh ketika resonansi terjadi: d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2, di mana n adalah bilangan bulat positif apa pun, yaitu ketebalan benda kerja yang akan diperiksa saat ini sama dengan kelipatan integral dari setengah panjang gelombang gelombang ultrasonik resonansi. Jika kecepatan ultrasonik C bahan benda uji diketahui, berdasarkan hubungan antara kecepatan suara, panjang gelombang dan frekuensi: C = λ · f, maka frekuensi ultrasonik pada saat resonansi ketebalan dapat diperoleh: fn = C / λn = n · C / 2d Ketika n=1, f1=C/2d, yang merupakan frekuensi dasar resonansi ketebalan. Karena perbedaan frekuensi antara dua harmonik yang berdekatan sama dengan frekuensi dasar, maka diperoleh: fn-fn-1=nf1-( N-1) f1=f1, sehingga frekuensi dua harmonik yang berdekatan dalam resonansi ketebalan dapat ditentukan oleh resonator, dan ketebalan benda kerja adalah: d=C/[2(fn-fn-1)], Bila frekuensi harmonik yang tidak berdekatan berturut-turut adalah fm dan fn, karena: fm-fn=(mn)f1.

(2) Deteksi cacat:
Apabila terdapat cacat pada benda kerja yang akan diperiksa, frekuensi nasional akan berubah dibandingkan dengan benda kerja yang sama tanpa cacat, dan keadaan resonansi juga akan berubah (frekuensi resonansi berubah), sehingga adanya cacat dapat dideteksi dengan tepat. Misalnya, digunakan untuk mengukur kekerasan logam, untuk memeriksa kualitas pengelasan titik lembaran, terutama untuk cacat ikatan material komposit dan struktur terikat (seperti gel tidak terikat, tidak terikat, gel buruk, dll.) dan mendeteksi kekuatan ikatan. metode deteksi getaran akustik dirancang untuk memeriksa kualitas sambungan lem.

Penerapan khas karakteristik resonansi ultrasonik adalah penguji kekerasan ultrasonik, yang mengukur kekerasan melalui perubahan frekuensi resonansi batang sensor ultrasonik. Hal ini terutama digunakan untuk menentukan kekerasan logam, dan juga dapat digunakan untuk pengukuran lain dengan metode perbandingan. Pengukuran kekerasan ultrasonik memiliki keunggulan kerusakan minimal pada permukaan benda uji, kecepatan pengukuran cepat, dan prosedur pengoperasian sederhana. Ini sangat cocok untuk inspeksi 100% benda kerja yang sudah jadi, dan dapat langsung mendeteksi benda kerja dengan memegang probe, terutama cocok untuk skala besar yang sulit untuk dipindahkan. Bagian benda kerja yang tidak mudah dibongkar, yang diukur. Berikut ini adalah contoh alat uji kekerasan ultrasonik yang diproduksi. Di bawah tekanan kontak yang seragam, ujung sensor bersentuhan dengan permukaan benda uji, dan frekuensi resonansi sensor akan mengikuti benda uji. Kekerasan benda uji ditentukan dengan mengukur perubahan frekuensi resonansi sensor.