Технологія неруйнівного контролю та її застосування (4)

Характеристики ультразвукової дифракції та розсіювання:

Коли ультразвукова хвиля поширюється через середовище, вона стикається з гетерогенною поверхнею (наприклад, дефектом). Відповідно до принципу Гюйгенса, явище дифракції виникає на його межі, і генерується знову збуджена дифракційна хвиля. з видимої точки зору початкова ультразвукова хвиля може продовжувати просуватися навколо дефекту, але за дефектом утворюється акустична тінь (простір без ультразвукових хвиль). Нову дифраговану хвилю можна використовувати для оцінки глибини поверхневої тріщини або висоти внутрішньої тріщини. У Китаї цей метод називається методом крайової регенеративної хвилі, а за кордоном — методом хвилі дифракції наконечника. Явище утворення звукової тіні використовується для ультразвукового виявлення проникнення, тобто коли ультразвукові хвилі стикаються з дефектами на своєму звуковому шляху внаслідок відбиття, дифракції, розсіювання тощо, і через аномальну мікроструктуру матеріалу заготовки, що перевіряється, це призведе до ослаблення енергії розповсюдження ультразвуку, так що акустична енергія, отримана на іншому кінці акустичний шлях нижчий, ніж акустична енергія, отримана за нормальних умов, і різницю можна відобразити за допомогою дисплея ультразвукового дефектоскопа або безпосередньо за допомогою показань електричного лічильника. Використовується як основа для перевірки та оцінки, Ультразвуковий товщиномір можна використовувати для виявлення дефектів листової, композитної або зв’язаної структури, наприклад розшарування, роз’єднання тощо, а також може використовуватися для розтріскування наконечників невеликих електричних вимикачів. Ультразвукова дифракція (регенеративна хвиля) визначає глибину тріщини.

Посріблена контактна перевірка якості тощо. Перевагою є те, що автоматичне виявлення легко реалізувати, але недоліком є ​​те, що розмір дефекту та місце розташування дефекту не можуть бути відомі, і взаємне розташування двох зондів суворо вимагається. Коли ультразвукова хвиля поширюється в середовищі, її власна дифузія хвильового фронту призведе до того, що звукова енергія, що проходить через одиницю площі, перпендикулярної напрямку звукового променя, зменшується зі збільшенням відстані поширення, що називається дифузійним загасанням, яке є самим ультразвуком. Характеристика пов’язана з кутом поширення променя 2θ (θ – кут напіврозсіювання ультразвукового променя). Крім того, ультразвукова хвиля знаходиться на межі зерен матеріалу, фазовій точці або акустичному опорі зважених частинок, домішок, бульбашок тощо в середовищі (значення дорівнює добутку швидкості звуку на щільність) (навіть якщо це незначна різниця). Стан розсіювання пов'язаний з довжиною хвилі ультразвукової хвилі та величиною розсіюючої частинки (середній діаметр кристалічного зерна). У металевому матеріалі відношення довжини хвилі λ до середнього діаметра кристалічних зерен можна розділити на три стани розсіювання: Релеївське розсіювання: «коли λ, ступінь розсіювання пропорційний четвертому ступені частоти, яка є більшою частиною металу. випадкове розсіювання: ≈λ, ступінь розсіювання пропорційний квадрату частоти, як зазвичай у випадку крупнозернистих відливок; дифузне розсіювання: ≥ λ, ступінь розсіювання обернено пропорційна, що часто виражається у випадку, коли поверхня виявленої заготовки є шорсткою, виникає втрата падаючої акустичної енергії на межі розділу. Подібна метафора для цієї ситуації може бути такою, якби вогні автомобіля були розсіяні в туманну погоду Через існування явища розсіювання акустична енергія, розташована перпендикулярно до шляху звуку, зменшується, тобто виникає ослаблення розсіювання в методі виявлення відбиття ультразвукового імпульсу, але також заважає відлунню. Ультразвукова хвиля може бути повернута до ультразвукової хвилі, накладеної на металевий матеріал. Після отримання датчика вона відображається на дисплеї ультразвукового дефектоскопа. Оцінюючи рівень перешкод, можна судити про мікроструктуру металевого матеріалу рівень перешкод став важливим показником у критеріях прийнятності для ультразвукового контролю поковок з титанового сплаву.

Характеристики ослаблення ультразвуку На додаток до ослаблення розсіювання, описаного в попередньому розділі, ще однією важливою причиною ослаблення енергії, коли ультразвукові хвилі передаються через матеріал, є ослаблення через внутрішнє поглинання, яке пов’язане з в’язкістю матеріалу, теплопровідністю, граничним тертям. Явище релаксації пов’язане з втратою ультразвукової енергії у вигляді тепла та атома розчиненої речовини. міграція, на додаток до руху дислокацій (таких як щільність дислокацій, зміна довжини, наявність отворів і домішок) і рух стінки магнітного домену, залишкова напруга викликає порушення звукового поля... тощо. Вони можуть викликати ослаблення ультразвукової енергії, що відповідає ослабленню розсіювання у верхній частині. Ми називаємо ослаблення ультразвукової енергії, викликане цими причинами, поглинанням поглинання. Видно, що механізм ослаблення ультразвукових хвиль у матеріалі дуже складний. Ми розглядаємо комплексне затухання. Припустимо, що амплітуда звукового тиску на відстані джерела X=0 дорівнює P0, а амплітуда звукового тиску після відстані X дорівнює PX, тоді: PX =P0·e-αx, де α називається коефіцієнтом ослаблення, який можна розділити на дві частини, а саме: α=αs+αa, де αs є коефіцієнтом ослаблення розсіювання, а αa є поглинанням. коефіцієнт ослаблення. Таким чином, коефіцієнт ослаблення, виражений у α, є комплексним параметром матеріалу, який, як правило, зростає зі збільшенням частоти ультразвуку. При ультразвуковому контролі можна визначити ступінь зменшення акустичної енергії після проходження ультразвукової хвилі через матеріал (наприклад, оцінка ступеня зменшення амплітуди ехо-сигналу нижньої поверхні заготовки в методі відбиття ультразвукового імпульсу) називається оцінкою втрат нижньої хвилі або втратою нижнього відбиття, або ультразвуковою хвилею. Метод проникнення може бути використаний для оцінки природи, морфології та розподілу мікроструктури матеріалу, наприклад виявлення грубих кристалів металевих матеріалів, перегріву та перегорання (перегріта структура в металевих поковках), карбідів. Однорідність, швидкість сфероїдизації карбіду ковкого чавуну, міцність на розрив вуглецевої сталі при кімнатній температурі, вимірювання напруги тощо. 

Наявні дані вводять використання відображення перешкод, спричинених розсіюванням, і оцінку затухання амплітуди відлуння, щоб судити про відстань між шаром цементиту в перлітній структурі колеса локомотива (перлітна сталь із вмістом вуглецю 0,53~0,61%). Визначити межу текучості та зносостійкість круга. Є також повідомлення про використання характеристик ослаблення ультразвуку при випробуванні на втому матеріалів (під час випробування на втому внутрішнє тертя та деформація решітки всередині зразка можуть спричинити розсіювання ультразвуку, а локальна пластична деформація поверхні зламу може спричинити поглинання ультразвукової енергії). Використовується для оцінки в'язкості сталі до руйнування. Поєднання характеристик ослаблення ультразвуку з характеристиками швидкості звуку можна використовувати для визначення, наприклад, вмісту водню в титанових сплавах (зниження ризику водню в титанових сплавах) і для оцінки якості старіння алюмінієвих сплавів. Швидкісні характеристики ультразвукових хвиль одного типу мають різні швидкості поширення в різних матеріалах, а в одному матеріалі ультразвукові хвилі різних типів також мають різні швидкості поширення. Коли склад, мікроструктура, щільність, коефіцієнт включення, концентрація, швидкість перетворення полімеру, міцність, температура, вологість, тиск (стрес), швидкість потоку матеріалу змінюються або змінюються, швидкість звуку також буде змінюватися. Використовуючи спеціальний тестер швидкості звуку або звичайний ультразвуковий імпульсний дефектоскоп або товщиномір для порівняння матеріалу невідомої швидкості звуку зі стандартним зразком відомої швидкості звуку, щоб звук Швидкість або швидкість звуку матеріалу можна виміряти та застосувати: (1) Визначення фізичних констант матеріалів, таких як: відповідно до співвідношення у фізиці, як правило: швидкість звуку C = (E / ρ) 1/2, де ρ – щільність матеріалу, E – модуль пружності матеріалу. Оскільки на швидкість звуку впливають анізотропія, форма та поверхня розділу матеріалу, а відповідні модулі пружності використовуються залежно від форми вібрації ультразвукової хвилі, швидкість поздовжньої хвилі в газі та рідині (тільки в газі та рідині) Поздовжня хвиля має: CL = (K / ρ0) 1/2, де K є ємнісним модулем пружності (модулем об’ємної пружності) матеріалу, ρ0 – вихідна статична густина середовища за наявності акустичної хвилі. У твердих тілах: швидкість ультразвукової поздовжньої хвилі, що поширюється в осьовому напрямку в тонкому стержні, діаметр якого менший за довжину ультразвукової хвилі, дорівнює: Cl = (E / ρ) 1/2, де E — модуль Юнга матеріалу, а ρ — діаметр щільності матеріалу. Поширення ультразвукової поздовжньої хвилі в осьовому напрямку товстого стрижня, більшого за ультразвуковий довжина хвилі. CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} K у формулі 1/2 — це об’ємний модуль пружності (об’ємний модуль пружності) матеріалу, G — модуль пружності при зсуві матеріалу, а σ — коефіцієнт Пуассона матеріалу (матеріал перебуває в силі, коли поздовжній деформація виникає в напрямку, бічна деформація також генерується у вертикальному напрямку, а співвідношення між ними називається коефіцієнтом Пуассона, який є однією з фізичних властивостей матеріалу). Швидкість звуку зсувної хвилі дорівнює: Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ·2(1+σ)]}1/2 Швидкість звуку хвилі Релея дорівнює: CR=[(0,87+1,12σ)/(1 +σ)]·(G/ρ)1/2. коли вимірюється швидкість звуку і відомий інший параметр, можна розрахувати інші параметри.

(2) Вимірювання температури: швидкість звуку в середовищі пов’язана з температурою середовища. Цю характеристику можна використовувати для вимірювання температури безконтактного середовища. Крім того, його можна використовувати для вказівки температури плавлення, кипіння та зміни фази середовища, а також для вимірювання питомої теплоємності середовища. Вимірюється теплота плавлення — це теплота реакції та теплота згоряння, а також вимірюється чистота та молекулярна маса середовища.

(3) Вимірювання швидкості потоку: коли ультразвукові хвилі поширюються в текучому середовищі (такому як труби для транспортування газу, рідини або рідини, що містять певну частку твердих частинок, або канали води), швидкість поширення відрізняється від швидкості поширення в статичних умовах щодо фіксованої системи координат. Це пов’язано зі швидкістю потоку середовища, тому швидкість потоку можна визначити на основі зміни швидкості звуку, а швидкість потоку (площа поперечного перерізу рідини х швидкість потоку) можна визначити далі. (4) Вимірювання в’язкості рідини η: відповідно до акустичного опору зсуву Z і (η·ρ) 1/2 (η — в’язкість рідини, ρ — густина рідини), а також акустичного опору Z=ρ·C, тому, вимірявши швидкість звуку та визначивши густину рідини, можна визначити густину рідини. визначається. (5) Вимірювання напруги. Швидкість поширення ультразвукових хвиль у матеріалі змінюється приблизно лінійно залежно від прикладеної напруги (так званий ефект ультразвукової напруги), тому її можна використовувати для вимірювання міцності попередньо напруженого бетону, міцності та залишкової напруги металу та кріплення. Напруга розтягування деталі (наприклад, кріпильного болта). (6) Вимірювання твердості: Твердість загартованого шару металевої поверхні можна визначити за допомогою характеристики зміни швидкості хвилі в зміцненому шарі металевої поверхні.

(7) Визначення глибини тріщини на поверхні металу: різниця між часом, коли хвиля передається безпосередньо вздовж поверхні металу, і часом, коли поверхнева тріщина присутня і хвиля обходить тріщину. За швидкістю поширення хвилі Релея можна розрахувати глибину тріщини. Цей метод називається методом затримки часу або методом часу проходження, методом Δt.

(8) Товщина вимірювання: відповідно до співвідношення між відстанню поширення ультразвуку X і швидкістю звуку C і часом передачі t: X=C·t, наприклад, коли вимірювання товщини здійснюється методом відбиття ультразвукового імпульсу, товщина заготовки d=C·t/2. Причина використання тут знаменника 2 полягає в тому, що ультразвуковий зонд випромінює ультразвуковий імпульс на нижню поверхню заготовки, і отримується зворотний зонд, що відбиває, так що звуковий шлях проходить у два рази більший за товщину заготовки.

Використовуючи швидкісні характеристики ультразвукових хвиль, його також можна застосовувати для вимірювання міцності чавуну зі сфероїдальним графітом і ступеня сфероїдізації графіту, визначення вологості керамічного саману для визначення часу випалу в печі та аналізу характеристик газового середовища (наприклад, чистоти промислового кисню та азоту). Швидкість метаболізму дихання тварин має зміну вмісту компонента в газі тощо, а також щільність нафтової фракції, неопренового латексу.

Ультразвуковий метод затримки часу використовується для визначення щільності рідини глибини поверхневої тріщини тощо. Підсумовуючи, застосування ультразвукових характеристик швидкості, особливо в промислових вимірювальних технологіях, є численним. Ультразвук - це різновид механічної вібраційної хвилі. Ми можемо використовувати ультразвуковий резонатор для інжектування ультразвукової хвилі з регульованою частотою (в основному з використанням поздовжньої хвилі) в заготовку, що перевіряється. Коли ультразвукова хвиля резонує з власною частотою деталі, падаюча хвиля протилежного напрямку поширюється. Відбиті хвилі накладаються одна на одну, утворюючи стоячу хвилю, яка є резонансом товщини поздовжньої хвилі, що падає перпендикулярно. З цією резонансною характеристикою її можна застосувати до таких аспектів:

(1) Вимірювання товщини:
товщина П'єзокерамічний дисковий перетворювач дорівнює d, а довжина хвилі ультразвукової хвилі, що поширюється в ньому, дорівнює λ, що виходить, коли виникає резонанс: d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n·λn/2, де n — будь-яке додатне ціле число, тобто товщина заготовки, яка підлягає перевірці, дорівнює цілій кратній половині довжини хвилі резонансна ультразвукова хвиля. Коли відома швидкість ультразвуку C матеріалу випробного зразка, відповідно до співвідношення між швидкістю звуку, довжиною хвилі та частотою: C = λ · f, можна отримати частоту ультразвуку під час резонансу товщини: fn = C / λn = n · C / 2d Коли n=1, f1=C/2d, що є основною частотою резонансу товщини. Оскільки різниця між частотами будь-яких двох сусідніх гармонік дорівнює основній частоті, існує: fn-fn-1=nf1-( N-1) f1=f1, тому частота двох сусідніх гармонік у резонансі товщини може бути визначена резонатором, а товщина заготовки дорівнює: d=C/[2(fn-fn-1)], коли частоти несуміжних гармонік гармоніки є fm і fn відповідно, оскільки: fm-fn=(mn)f1.

(2) Виявлення дефектів:
якщо в заготовці, що підлягає перевірці, є дефект, національна частота зміниться порівняно з тією самою заготовкою без дефектів, а також зміниться стан резонансу (зміни резонансної частоти), так що наявність дефекту можна буде виявити відповідно. Наприклад, він використовується для вимірювання твердості металів, перевірки якості точкового зварювання листів, особливо для виявлення дефектів з’єднання композитних матеріалів і склеєних структур (таких як нескріплені, роз’єднані, поганий гель тощо) і визначення міцності з’єднання. метод виявлення акустичної вібрації призначений для перевірки якості клейових з'єднань.

Типовим застосуванням ультразвукових резонансних характеристик є ультразвуковий твердомір, який вимірює твердість за допомогою зміни резонансної частоти ультразвукового датчика. В основному використовується для визначення твердості металу, а також може використовуватися для інших вимірювань методом порівняння. Ультразвукове вимірювання твердості має такі переваги, як мінімальне пошкодження поверхні тестового зразка, висока швидкість вимірювання та проста процедура експлуатації. Він особливо підходить для 100% перевірки готових заготовок і може безпосередньо виявляти заготовку, тримаючи зонд, особливо підходить для великих масштабів, які важко переміщати. Деталі заготовки, які важко розібрати, які вимірюються. Нижче наведено приклад виготовленого ультразвукового вимірювача твердості. Під рівномірним контактним тиском кінчик датчика контактує з поверхнею випробовуваного зразка, а резонансна частота датчика слідуватиме за випробовуваним зразком. Твердість випробного зразка визначається шляхом вимірювання зміни резонансної частоти датчика.