Импульсные ультразвуковые (УЗК) методы
Суть импульсных УЗК методов состоит в том, что с помощью датчиков в контролируемом изделии возбуждают импульс упругих колебаний (зондирующий импульс). Колебания распространяются в изделии на расстояние L и их принимают через некоторое время t . При возбуждении импульса продольных упругих колебаний скорость их распространения С определяется по формуле:
(12)
Обычно при импульсном УЗК методе длина волны возбуждаемых колебаний значительно меньше размеров изделия, поэтому по формуле (12) получают скорость распространения упругих колебаний в бесконечной среде. При возбуждении импульса упругих поперечных колебаний получаем скорость распространения поперечных упругих колебаний Ct.
Различные импульсные методы УЗК могут отличаться схемами располо-жения датчиков. Различают ЭХОИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД, при котором воз-буждение и прием отраженного сигнала осуществляются с одной стороны изделия, для возбуждения и приема могут использоваться либо два разных датчика, либо один, который сначала служит излучателем, а затем приемником отраженного сигнала, и МЕТОД ПРОХОЖДЕНИЯ, при котором излучатель и приемник расположены по разные стороны изделия.
К приборам, реализующим импульсные УЗК методы, относятся ультра-звуковые дефектоскопы, толщиномеры, измерители скорости УЗ колебаний. Дефектоскопы являются более универсальными приборами, чем толщиномеры и измерители скорости. Почти все современные дефектоскопы имеют функцию измерения толщины изделия и скорости УЗК. Как следует из формулы (12), зная время t распространения УЗК импульса, при постоянной скорости С можно определить размер изделия L и наоборот, при известном размере L вычислить скорость С. Отсюда следует, что измерять размеры можно только у изделий, изготовленных из материалов с постоянной скоростью распространения упругих колебаний, например из стали. При этом для разных сортов стали скорость С может несколько отличаться, поэтому обычно предварительно производят настройку прибора для измерений размеров изделий из данной марки стали.
Структурные схемы дефектоскопов изучают в курсе лекций «Методы и приборы дефектоскопии». Укажем только на основные составляющие этих приборов. В качестве датчиков (и излучателя, и приемника колебаний) обычно используются пьезоэлектрические преобразователи, которые способны преобразовывать электрические колебания в упругие и обратно. В приборе имеется генератор электрических импульсов (зондирующих импульсов), усилитель, синхронизатор сигналов, индикатор в виде электронно-лучевой трубки или жидкокристаллического дисплея. Обычно на индикаторе отражается зависимость амплитуд сигналов от времени их распространения (по оси абсцисс – время), по оси ординат – амплитуда. Время прохождения УЗК импульса t определяют по его положению на оси абсцисс и, зная или измерив толщину изделия (расстояние L, которое прошел УЗК импульс), по формуле (12) вычисляют скорость распространения колебаний.
Измерители скорости УЗК и толщиномеры, которые при известной длине пути прохождения УЗК можно использовать и как измерители скорости, в отличие от дефектоскопов могут не иметь индикатора в виде электронно-лучевой трубки или жидкокристаллической панели. На их табло может быть показана в цифровом виде информация о времени прохождения УЗК импульса или о скорости УЗК.
Одной из основных технических характеристиках импульсных УЗК приборов, которые необходимо учитывать при выборе типа прибора для контроля конкретных материалов, является РАБОЧАЯ ЧАСТОТА датчиков. Эта частота в разных приборах может меняться в очень широких пределах – от приблизительно 50 кГц до 25-30 МГц. Чем выше рабочая частота, тем точнее можно провести измерение времени распространении УЗК импульса, однако, тем труднее передать УЗК импульс от преобразователя к изделию и тем быстрее колебания затухают.
Как правило, при дефектоскопии металлов используют частоты 1,5-5 МГц, при этом контакт преобразователя с изделием осуществляют через контактную жидкость, обычно машинное масло, или через воду (такой вид контроля называется иммерсионным). Поскольку скорость распространения УЗК в металлах изменяется в небольших пределах (исключение составляют чугун; изделия, изготовленные методом порошковой металлургии, и некоторые сплавы), то при контроле физико-механических свойств металлов импульсным методом необходимо выбирать как можно более высокие рабочие частоты. При этом для получения достаточной точности значительно возрастают требования к чистоте поверхности контролируемого изделия и к его геометрии. Поэтому для контроля физико-механических свойств металлов нужны прецизионные измерители скорости УЗК.
При контроле крупногабаритных неметаллических изделий с шерохова-той поверхностью, большой пористостью, например бетона, строительных материалов, огнеупоров, обычно используют рабочие частоты 50 – 500 кГц. Это позволяет осуществлять акустический контакт преобразователя с изделием всухую, без использования контактной жидкости.
Методы собственных частот
Суть методов заключается в возбуждении в контролируемом изделии собственных колебаний (колебаний на СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЕ), измерении частоты собственных колебаний и определении по значению этой частоты других упругих и физико-механических характеристик материала изделия. Частоту собственных колебаний по способу ее измерения часто называют также РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТОЙ.
В отличие от ультразвуковых импульсных методов МЕТОДЫ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ не предназначены для дефектоскопии изделий (кроме некоторых случаев, когда контроль ведется по специально разработан-ным методикам). Основное назначение приборов, реализующих этот метод, – определение упругих констант материала и других физико-механических свойств материала, связанных с этими константами: твердости, пористости, плотности, прочности и др.
ЧАСТОТА СОСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ (ЧСК) f зависит как от упругих характеристик материала, так и от КОЭФФИЦИЕНТА ФОРМЫ F (коэффициента, зависящего от формы и размеров изделия, от коэффициента Пуассона, а также от вида возбуждаемых колебаний). В общем виде эту зависимость можно выразить в виде
, (13)
где 
(14)- скорость распространения акустических волн (скорость звука),
Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга),
ρ – плотность,
i – тип (мода) колебаний.
Скорость Сl имеет физический смысл скорости распространения продольных упругих волн в бесконечно длинном тонком стержне, изготов-ленном из того же материала, что и контролируемое изделие (стержневая скорость звука). В дальнейшем для краткости мы будем называть этот параметр скоростью звукаСlили просто скоростью Сl.
Поскольку частота собственных колебаний изделия зависит не только от свойств материала, но и от других факторов, в качестве информативного параметра при методах контроля по ЧСК обычно используется значение СКОРОСТИ ЗВУКА Сl . Используя заранее найденные корреляционные зависимости, по скорости Сl можно определить прочностные характеристики материала, плотность, пористость и др.
В ряде случаев, например при контроле физико-механических свойств абразивных изделий, в качестве выходной характеристики контроля приняты ЗВУКОВЫЕ ИНДЕКЫ (ЗИ)-градации скорости Cl с шагов 200 м/с. В соответ-ствии с ГОСТ 25961 ЗИ обозначаются средним для данной градации значением скорости Cl, выраженным в м/с и деленным на 100. Обозначение ЗИ по ГОСТ 25961 представлено в табл. 1.
Таблица 1. Обозначения звуковых индексов
| Звуковой индекс ЗИ | Интервал значений скорости Cl, м/с |
| от 1800 до 2000 | |
| св. 2000 до 2200 | |
| ………. | |
| св. 7400 до 7600 |
Определение упругих констант материала производится путем расчета. По значению Сl,зная или заранее вычислив коэффициент формы Fi и плотность ρ, по формуле (13) рассчитывают модуль Юнга Е. Коэффициент Пуассона рассчитывают по значениям двух измеренных собственных частот, относящихся к разным видам колебаний.
Каждое твердое тело имеет бесконечное множества частот, которые относятся к разным видам колебаний. При колебаниях на собственной частоте каждая точка изделия, кроме точек изделия, находящихся на узловой линии или плоскости (узловая линия – линия на которой колебания отсутствуют), совершает колебательные движения. Тип колебаний определяется направле-нием колебательного движения отдельных точек и количеством и видом узловых линий. По направлению колебательного движения различают следующие основные виды: ИЗГИБНЫЕ колебания (колебания отдельных точек происходят в плоскости, перпендикулярной основной плоскости изде-лия), ПРОДОЛЬНЫЕ, или ПЛОСКИЕ, (колебания отдельных точек происходят в основной плоскости изделия) и КРУТИЛЬНЫЕ колебания (крутильные колебания отдельных точек). Обычно при неразрушающем контроле стараются возбуждать и измерять наиболее низкие собственные частоты.
Измерения ЧСК и скорости звука Сl производятся с помощью специализированных приборов или систем. Отечественные приборы типа «ЗВУК», разработанные для этой цели, называются - ИЗМЕРИТЕЛЯМИ ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ. В приборах используются метод свободных колебаний или метод вынужденных колебаний (резонансный метод).
На рис. 2 приведена обобщенная блок - схема прибора, работающего с использованием МЕТОДА СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ. Прибор работает следующим образом. По контролируемому изделию 1 с помощью ударника 2 наносят механический удар, в результате которого в изделии возникают свободные колебания. Эти колебания принимаются приемником колебаний 3, в качестве которого может быть использован микрофон или пьезодатчик, и преобразуются в электрические колебания. После усиления усилителем 4, выделения с помощью фильтра 5 сигнала, соответствующего собственной частоте, и измерения его частоты частотомерным устройством 6 на индикаторном табло прибора в цифровом виде отображается значение собст-венной частоты.
Рис. 2. Блок-схема прибора, основанного на методе свободных колебаний
На рис. 3 приведена блок-схема прибора, работающего с использованием МЕТОДА ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ. Контролируемое изделие 1 помещают между двумя пьезодатчиками 2 и 3, один из которых является излучателем колебаний, а другой – приемником. Работа прибора осущест-вляется следующим образом. От генератора электрических колебаний перемен-ной частоты 4, снабженного частотомерным устройством 5, электрический сигнал поступает на излучатель, осуществляющий преобразование электри-ческих колебаний в механические. Возникающие при этом колебания контро-лируемого изделия регистрируются приемником колебаний, осуществляющим их преобразование в электрический сигнал. После усиления усилителем 6 сигнал подается на индикаторное устройство 7, которое фиксирует изменение амплитуды полученного сигнала. При совпадении частоты колебаний генератора с частотой собственных колебаний изделия амплитуда колебаний резко возрастает, наступает резонанс, который фиксируется индикаторным устройством. Показание частотомерного устройства 5 при резонансе дает значение собственной частоты изделия.
Рис. 3. Блок-схема прибора, основанного на методе
вынужденных колебаний
Современные приборы для измерения ЧСКпозволяют практически мгновенно получать в цифровом виде значение ЧСК, а также значение скорости звука Сl или значения других физико-механических и упругих характеристик материала, связанных со скоростьюСl. Приборы работают в комплекте с компьютером, что позволяет автоматизировать процесс контроля, хранить и обрабатывать полученную информацию.
3.2.4.2. Электромагнитные методы контроля.
Электромагнитные методы контроля основаны на зависимости между параметрами электромагнитного поля, прошедшего через контролируемое изделие, и физико-механическими характеристиками материала, а также его составом и структурой.
Электромагнитные поля, используемые при неразрушающем контроле, имеют широкий диапазон частот – от практически постоянного поля (f=0) до частоты f=100 МГц. Обычно эти методы разделяют на магнитные и электрические методы, в зависимости от того, магнитные или электрические характеристики материала подлежат измерению. По своей физической сути к этим методам относится и вихретоковый контроль.
ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» не предусматривает термина «электромагнитный контроль», а в литературе под этим термином порой понимают несколько разные виды контроля: иногда магнитный и вихретоковый виды контроля, иногда только вихретоковый. В силу многих особенностей вихретокового метода, мы рассмот-рим его отдельно. В этом разделе представлены сведения по магнитному, элект-
рическому и электромагнитному методам с индуктивным преобра-зователем.
МАГНИТНЫЙ вид контроля, как правило, применяют для ферромагнит-ных материалов, в основном для разного вида сталей. Контроль основан на том, что свойства материала, которые требуется контролировать: твердость, струк-тура, химический состав и др. – связаны с параметрами процессов намагничи-вания и перемагничивания, сопровождаемых гистерезисными явлениями.
При контроле в изделии возбуждают магнитное поле (проводят намагничивание), измеряют параметры поля и по ним судят о физико-механических характеристиках и структуре материала. В качестве измеряемых параметров выбирают один или несколько из следующих параметров магнитного поля: коэрцитивную силу Нс, магнитную проницаемость μа = Br/H, намагниченность I=( Br/μ0)-Н, где μ0 – магнитная постоянная, Br – остаточную намагниченность.
При выборе информативного параметра магнитного контроля стремятся найти параметр, который наиболее сильно коррелируется с теми свойствами материалов, которые интересуют инженерную практику. К настоящему времени накоплен достаточно большой экспериментальный материал по корреляции магнитных свойств конструкционных сталей с их физико-химическими и механическими свойствами. Во многих случаях связь эта не только неоднозначна, но и нестабильна, носит корреляционный характер и возникает тогда, когда одни и те же физические и химические процессы образования структуры и фазового состава ферромагнитных сталей формируют также и магнитные свойства. Сложный характер влияния разных факторов на свойства ферромагнитных материалов часто не позволяет оценить влияние каждого фактора в отдельности. Поэтому при магнитном контроле часто используют относительные измерения, т. е. не измеряют какой-либо магнитный или механический параметр, а только фиксируют, соответствует ли магнитный параметр заданным значениям или отклоняется от них. Для оценки того, насколько при этом механические параметры отклонились от номинальных, необходимы дополнительные сопоставления с параметрами специально отобранных образцов.
Наиболее широко при магнитном контроле используется зависимость между твердостью углеродистых и низкоуглеродистых сталей и их КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛОЙ Нс (рис. 4). Так как твердость стали зависит от режима ее термической обработки, то практически во всех случаях наблюдается корреляция также между коэрцитивной силой и температурой закалки и отжига (рис. 5).
| 
|
| |
| Рис. 4. Зависимость коэрцитивной силы Нс от твердости для сталей марки 30Х13 и 12Х17Н2 | Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы Нс от температуры закалки (а) и отжига (б) для сталей марки ШХ15 |
Приборы, позволяющие разбраковывать изделия по величине коэрцитив-ной силы, называются КОЭРЦИТИМЕТРАМИ. Наибольшее распространение в настоящее время получили коэрцитиметры, в которых для создания магнитного поля используется приставной электромагнит. Такие приборы предназначены для контроля отдельных участков крупногабаритных изделий. Для контроля малогабаритных изделий используются установки с измерительным генерато-ром (активный индукционный преобразователь), а также с феррозондом. В таких установках намагничивающее поле создается с помощью катушки, внутрь которой помещается контролируемое изделие.
Рассмотрим подробнее работу коэрцитиметра с приставным электромаг-нитом, поскольку такие приборы наиболее удобны в производственных условиях. Схема преобразователя прибора показана на рис. 6.
Рис. 6. Преобразователь коэрцитиметра с приставным магнитом
П- образный электромагнит, на боковых стержнях которого размещена возбуждающая катушка, предназначен для создания намагничивающего и размагничивающего полей. Феррозонд является перемычкой этого электромаг-нита. При пропускании постоянного тока по обмотке возбуждения намагни-чивается участок изделия, подлежащего контролю. После выключения тока в обмотке остаточный магнитный поток электромагнита создает сигнал на выходе феррозонда. При пропускании по обмотке возбуждения тока противо-положного направления начинается процесс размагничивания. Размагничиваю-щий ток увеличивают до тех пор, пока магнитный поток в цепи не станет равным нулю, чему соответствует отсутствие выходного сигнала феррозонда. Чем больше значение коэрцитивной силы Нс, тем большим должен быть размагничивающий ток. Таким образом, действие коэрцитиметра основано на том, что размагничивающий ток пропорционален коэрцитивной силе Нс, которая коррелируется с определенными механическими свойствами контролируемого материала.
Кроме рассмотренного коэрцитиметрического метода, применяют метод ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ для контроля сталей, для которых известна связь остаточной индукции или намагниченности Br с механическими свойствами. Намагничивание при этом обычно осуществляют в импульсном режиме с помощью малогабаритного соленоида, устанавливаемого перпенди-кулярно поверхности изделия. При пропускании импульса тока через соленоид участок изделия под ним намагничивается, причем намагничивание это неоднородно. После окончания импульса намагниченность в каждой точке уменьшается до некоторой остаточной намагниченности. Измеряя с помощью двух феррозондов разность напряженностей в двух разных точках, получают величину, пропорциональную Br и характеризующую механические свойства материала.
Для определения содержания ферритной фазы в готовых стальных изделиях применяют ФЕРРИТОМЕРЫ. Контроль содержания ферритной фазы важен, так как увеличение ее количества снижает пластичность сталей, что недопустимо, так как может привести к возникновению трещин при механи-ческих нагрузках. Поскольку ферритная фаза определяет магнитную проницаемость вещества, определить ее содержание можно, измеряя магнитную проницаемость. Переменный магнитный поток создают возбуждаю-щей катушкой. Величина этого потока зависит от магнитного сопротивления контролируемого материала, которое определяется содержанием ферритной фазы. Этот магнитный поток наводит ЭДС в измерительной катушке, по величине которого и оценивают содержаний ферритной фазы.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИД КОНТРОЛЯ основан на регистрации электри-ческих полей и электрических параметров контролируемого изделия. Обычно при этом виде контроля изделие помещают в постоянное или переменное электрическое поле, создаваемое между обкладками электрического конденсатора, диэлектриком которого служит контролируемое изделие (электроемкостной метод), либо между электродами, контактирующими с изделиями из электропроводящих материалов (электропотенциальный метод). Электрическое поле может также создаваться путем электризации изделия тре-
нием (трибологический метод). Последние два метода в основном применяются для измерения толщины и обнаружения дефектов.
В качестве регистрируемых параметров используется электрическое сопротивление R, электрический ток I, электрическая емкость С, относительная диэлектрическая проницаемость εг, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ, контактная термоЭДС Et.Для контроля конкретных изделий выбирают один или совокупность перечисленных параметров, связанных с тем или иным свойством материала изделия.
Рассмотрим более детально электроемкостной метод, наиболее часто используемый для контроля физико-механических свойств и структуры материала. При этом методе измеряют относительную диэлектрическую проницаемость εг и/или тангенс угла диэлектрических потерь tg δ электрического конденсатора, в состав которого входит контролируемое изделие (или его часть). Если изделие сделано из диэлектрического материала, то электрическое поле в нем создается электроемкостным преобразователем (конденсатором), обкладки которого подключают к генератору переменного напряжения. Если же изделие изготовлено из электропроводящего материала, например металлической проволоки, то одной из обкладок электроемкостного конденсатора может служить само изделие. Возможно также размещение электропроводящего изделия между обкладками специального электроем-костного преобразователя.
Контроль основан на том, что разные вещества имеют различные значения εг и tg δ, причем наличие пор и влаги резко изменяет эти характеристики, поскольку их значения в воздухе и в воде сильно отличаются от значений для большинства твердых материалов. Например, для свободной (гигроскопической) воды εг ~80, а для таких материалов, как пластмасса, композиты, текстиль, зерно и др., εгБ<10. Поэтому электроемкостной метод широко применяется для контроля ВЛАЖНОСТИ различных материалов. Преобразователи электроемкостных преобразователей влажности имеют раз-личную конструкцию, определяемую состоянием контролируемого материала (твердый, сыпучий). Диапазон измеряемой влажности зависит от возможных значений εг для конкретных материалов. Так, влажность зерна можно опре-делить в диапазоне от 8 до 35 %, бумаги, текстиля от 5 до 30 %, угля от 5 до
20 %. Диапазон измерения универсальных влагомеров от 0 до 80 %, погреш-ность измерения от 0,3 до 2 %.
По параметрам εг и tg δ можно контролировать также соотношение компонентов в смесях, химический состав некоторых материалов, например пластмасс, степень полимеризации и старения полимерных материалов, плотность, пористость, в некоторых случаях прочность, предел пластичности, внутренние механические напряжения. При контроле следует учитывать, что значения диэлектрической проницаемости εг также, как и другие параметры, используемые при электрическом контроле, зависят от многих физико-механических свойств, поэтому определить какое – либо одно свойство, материала, например, пористость, можно при постоянстве других, например влажности.
Контролируя непрерывно значения εг и tg δ, можно следить за кинетикой химических реакций, кристаллизацией, полимеризацией (отверждением), старением, вулканизацией. По измеренным значениям εг композита можно определить характеристики состава и структуры, например коэффициент армирования. Для этого могут быть использованы формулы для вычисления среднего значения диэлектрической проницаемости композита по известным значениям диэлектрических параметров компонентов или специально разработанные номограммы.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД С ИНДУКТИВНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ рассмотрим более подробно, поскольку этот метод не предполагает дефектоскопии изделий и его не изучают в других курсах, относящихся к неразрушающему контролю. Метод используется для опреде-ления содержания ферромагнитных примесей в измельченных материалах. При контроле пробу с контролируемым материалом помещают в качестве сердеч-ника в измерительный индуктивный преобразователь (измерительную катуш-ку). При внесении пробы происходит изменение параметров преобразователя, причем тем большее изменение, чем больше содержание ферромагнитных примесей. Фиксируя возникающие изменения (индуктивность катушки и сдвиг фаз между колебаниями, синхронизируемых по частоте опорного и рабочего генераторов) и проведя градуировку прибора для контроля конкретного материала, прямо по прибору можно определять содержание ферромагнитных включений.
Приборы, реализующие этот метод измерения, состоят из рабочего и опорного генераторов с колебательными контурами, фазометра, источников питания и индикатора.
Рабочий и опорный генераторы представляют собой автогенераторы с отрицательным входным сопротивлением, выполненные на интегральных дифференциальных усилителях. Выходные сигналы генераторов через усилители-ограничители подаются на входы фазометра. Рабочий и опорный генераторы работают в режиме взаимной синхронизации (захватывания), при котором в контур каждого генератора через цепь связи вводится часть выходного сигнала, снимаемая с вторичных обмоток контурных катушек другого генератора.
Введение пробы контролируемого материала внутрь катушки, входящей в контур рабочего генератора, вызывает изменение величины индуктивности катушки и появление фазового сдвига между колебаниями рабочего и опорного генераторов, пропорционального измеряемой величине, – массовой доле ферромагнитного материала в пробе. Этой же величине пропорционально отклонение стрелки индикатора.
Наибольшей точностью и разрешающей способностью из приборов такого типа обладают приборы типа «Магнит». Например, модель прибора «Магнит -704» позволяет измерять содержание даже очень малых примесей ферромагнитного материала с разрешающей способностью 0,0001 %. Такие измерения бывают необходимы, так как даже небольшое количество железа в ряде материалов, например в абразивных материалах, связках, используемых
при изготовлении различных керамических изделий и композитов, может привести к браку в конечном продукте.