ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ В МАТЕРИАЛАХ И ИЗДЕЛИЯХ С ПОМОЩЬЮ АККУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ. Области использования и классификация акустических методов контроля.

Цель работы – научиться выполнять поиск дефектов с помощью акустических методов контроля материалов и изделий

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

Так, ультразвуковые колебания применяют в неразрушающем контроле. Профессор С. Я. Соколов использовал свойство распространения ультразвука в ряде материалов и предложил в 1928 году новый метод обнаружения дефектов, залегающих в толще металла. Ультразвуковой метод скоро получил признание в нашей стране и за рубежом. Это объясняется более высокой чувствительностью по раскрытию на 5 порядков, достоверностью в 2 – 2,5 раза обнаружения дефектов, более высокой оперативностью в 15 – 20 раз и производительностью в 2 – 4 раза, меньшей стоимостью в 2 – 6 раз и безопасностью в работе по сравнению с другими методами неразрушающего контроля.

Можно обнаруживать поверхностные и внутренние дефекты, которые представляют собой нарушение сплошности, неоднородности структуры, зоны поражения межкристаллитной коррозией, дефекты клепания, пайки, сварки. Позволяют измерять геометрические параметры, например толщину при одностороннем доступе к изделию, а также физико-химические свойства материалов без их разрушения. В последнее время эти методы используют для изучения кинетики начальной стадии разрушения образцов и изделий при испытаниях на усталость.

• контроль цельности

• контроль толщины

• контроль структуры

• контроль физико-механических свойств

• изучение кинетических разрушений

Преимущества

1. Высокая чувствительность, что позволяет выявлять мелкие дефекты.

2. Большая проникающая способность, позволяющая выявлять внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях.

3. Возможность определения места и размеров дефектов.

4. Практически моментальная индикация дефектов, позволяющая автоматизировать контроль.

5. Возможность контроля при одностороннем доступе к изделию.

6. Простота и высокая продуктивность контроля.

7. Полная безопасность работы оператора и окружающего персонала.

Недостатки

• необходимость разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей

• необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности контролируемых объектов и наличие так званых «мертвых зон», что понижают эффективность контроля.

В настоящее время используют следующие методы:

• теневой

• резонансный

• лунаимпульсный

• эмиссионный

• велосимметричный

• импедансный

• свободных колебаний

Возбуждение акустических (звуковых и ультразвуковых) волн и их распространение

Акустическими (упругими) волнами называют механические возмущения (деформации), которые распространяются в упругом теле. При распространении упругих волн частицы среды не переносятся, а только делают колебания относительно центров равновесия. Если с помощью источника волн в детали возбудить колебания, то оно начнет распространяться в металле от частицы к частице со скоростью С. Расстояние между частицами, которые колеблются в одинаковой фазе, называется длиной волны К. Длина волны К, частота f и скорость распространения С связаны зависимостью K= C/f. В зависимости от частоты упругие колебания подразделяют на инфразвуковые – частотой до 20 Гц, звуковые – от 20 до 2·10⁴ Гц, ультразвуковые – от 2·10⁴ до 10⁹ Гц и гиперзвуковые – сверх 10⁹ Гц. Из этих частот при контроле акустическими методами используют звуковые и ультразвуковые диапазоны.

В зависимости от направления колебаний частиц относительно направления распространения волны различают: продольные, сдвиговые (поперечные), поверхностные и нормальные волны.

Если направление колебания частиц в контролируемом материале совпадает с направлением распространения волны, то волна называется продольной. Такая волна может быть сдвинута (порушена) в твердом теле, жидкой и газоподобной среде.

Если частицы колебаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, то волна называется волной сдвига. Она может быть сдвинута (порушена) только в твердом теле, способном упруго сопротивляться деформации сдвига.

На свободной поверхности твердого тела можно возбудить поверхностные волны (волны Релея), которые двигаются по эллипсах. Амплитуда колебаний частиц по мере удаления от свободной поверхности уменьшается по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной 1...1,5 λ

В плоских телах и телах постоянной толщины (листах, тонких пластинах, проволоке) можно возбудить нормальные волны (волны Лемба). Нормальные волны связаны с волновым механизмом распространения ультразвуковых колебаний.

В изотропных твердых телах скорость распространения упругих волн зависит от их вида, упругих постоянных материала и размеров тела, в каком волна распространяется (таблица 4.1). Акустические свойства материалов характеризуются удельным волновым сопротивлением ρυ, равным произведению скорости продольных волн υ на плотность материала ρ. (Табл. 4.2).

Для возбуждения упругих колебаний в разных материалах используют преобразователи: пьезоэлектрические, магнитострикционные, электро-магнито-акустические (ЭМА) и др.

Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, представляющие собой пластину, изготовленную из монокристалла или кварца, или из пьезокерамических материалов – титаната бария, цирконат-титаната свинца (ЦТС) и др. На поверхность таких пластин наносят тонкие слои серебра, которые служат электродами, и поляризуют их в постоянном электрическом поле. В результате пластины из керамических материалов приобретают пьезоэлектрические свойства. При приложении к электродам переменного электрического напряжения пьезопластина делает вынужденные механические колебания (растягивается и сжимается) с частотой электрического напряжения (обратный пьезоэффект). При влиянии на пьезопластину упругих механических колебаний на ее электродах возникает переменное электрическое напряжение с частотой механических колебаний, которые влияют на нее (прямой пьезоэффект). Амплитуда колебаний пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пластины. Наибольшая амплитуда колебаний пъезопластины будет при резонансе, когда собственная частота ее колебаний совпадает с частотой переменного напряжения. Собственная частота пластины зависит от ее толщины и скорости упругих волн: f=C/2b. Если пьезопластину (пьезоэлемент) приложить к поверхности контролируемой детали, то в материале ее будут возбуждаться и распространяться упругие волны. В зависимости от режима работы генератора переменного электрического напряжения их можно излучать неприрывно или в виде импульсов.

Для введения упругих колебаний в контролируемую деталь и приема отраженных импульсов от дефектов, а также оберегания пьезопластины от механических повреждений и износа пьезопластину помещают в специальные устройства –поисковые головки (искатели).

Распространение высокочастотных упругих волн происходит по аналогии с законами геометрической оптики. Если материал детали однородный и изотропный, то пьезоэлемент образует волновое поле, которое поблизости имеет цилиндрическую форму (ближняя зона или зона дифракции Френеля), а на некотором расстоянии r₀ – форму усеченного конуса с углом 28 градусов при вершине (дальняя зона, или зона дифракции Фраунгофера) (РИСУНОК 4.2). Длина ближней зоны r₀=d²/4λ, где d – диаметр излучателя. Половина угла открытия конуса пучка упругих волн, вкаком почти полностью концентрируется згенерированная излучателем энергия, характеризует направленность излучения и определяется соотношением sinθ=1,22λ/d=1,22C/d . Чем больше диаметр излучателя и частота упругих волн,тем выше направленность пучка лучей. При d<λ от излучателя распространяются сферические волны. При d>λ излучаемая энергия концентрируется предпочтительно вдоль нормали к излучающей поверхности.

Упругая волна в направлении распространения несет певну энергию. Количество энергии,перенесенной волной за 1 с сквозь поверхность площадью 1 кв. м, нормальной к направлению распространения волны , называется интенсивностью:

По мере отдаления от излучателя интенсивность волн падает и амплитуда колебаний частиц постепенно снижается. Это обусловлено геометрической разбежностью лучей, что приводит к возрастанию площади фронта волны, а также наличием потерь в среде, которые приводят к постепенному затуханию колебаний при их распространении.

Погасание упругих волн происходит по экспоненциальному закону

Где - интенсивность упругих волн на расстоянии от места, где интенсивность равняется.

При распространении упругих волн могут наблюдаться интерференционные и дифракционные явления

Интерференция – результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, действующих на ту самую точку среды. В результате наложения двух средних волн с одинаковой частотой и амплитудой, что например падает и бежит навстречу отраженной, возникает стоячая волна. При этом в металле вдоль оси поля наблюдаются неподвижные точки, которые называются узлами (колебания частиц нет) и точки с максимальным сдвигом, которыеназываются пучностями (колебания происходят с максимальной амплитудой). Расстояние между двумя соседними узлами или пучностями в стоячей волне равно λ/2.

В отличие от бегущих волн, в стоячей волне перенос энергии отсутствует, благодаря чему положение в пространстве узлов и пучностей не изменяется со временем (поэтому волны называются стоячими), потому что образующие эту волну прямая и обратная волна переносят энергию в равных количествах и противоположных направлениях.

Дифракция – огибание упругими волнами малых препятствий – играет сущесвенную роль при выявлении дефектов акустическими методами.

Интерференция и дифракция взаимосвязаны и существуют одновременно. Они значительно усложняют измерения с помощью упругих волн, особенно в режиме безостановочного (непрерывного) излучения. Поэтому боле лучший импульсный метод, при котором падаюшая и отраженная волны не встречаются и не интерферируют.