СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТАВА ОДНОТИПНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1998 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающим средствам анализа свойств материалов акустическими методами и может быть использовано для массового экспрессного контроля состава двухфазных материалов (например, твердых сплавов группы ВК одного форморазмера), в значительной степени определяющего их работоспособность в условиях эксплуатации.

Известен способ акустического контроля состава однотипных изделий из двухфазного материала [1], включающий измерение частот резонансных колебаний изделий переменного состава и определение состава по предварительно построенной градуировочной зависимости "состав-частота", где состав определяют известным (например, рентгеновским) способом. Однако трудоемкость и продолжительность построения градуировочной зависимости каждый раз при других форморазмере и/или материале не позволяет известный способ применять в условиях массового контроля.

Более близким по технической сущности к предлагаемому способу и взятым за прототип [2] является способ акустического контроля состава однотипных изделий из двухфазного материала, включающий измерение частот резонансных колебаний изделий из каждой фазы и контролируемого двухфазного материала. Недостатком указанного способа является то, что для определения состава требуются значительные временные затраты, поскольку используют измерения частот и, кроме того, плотности контролируемых объектов при двух разных температурах. Отмеченный недостаток делает известный способ малопригодным в условиях экспрессного контроля изделий одного форморазмера.

Предлагается способ акустического контроля состава однотипных изделий из двухфазного материала, преимущественно изотропного, включающий измерение частот резонансных колебаний изделий из каждой фазы и контролируемого материала, отличающийся тем, что измерения проводят при одной температуре, а состав при условии f₁ ≥ f_i ≥ f₂ определяют из соотношений
,
где
C₁, C₂ - объемная концентрация фаз доля;
f₁, f₂, f_i - частоты резонансных колебаний однотипных изделий из каждой фазы и контролируемого материала соответственно, Гц.

Частоты резонансных идентичных (например, крутильных) колебаний изделий зависит от их формы, размера и состава (пористости). Для плотных изделий от их формы, размера и состава (пористости). Для плотных изделий одного форморазмера (что и представляют собой, например, пластины из твердых сплавов группы ВК) частота может служить мерой их состава. В прототипе определение концентрации каждой фазы в изделиях одного форморазмера основано на зависимости величины температурного коэффициента частоты упругих волн в двухфазном материале от величин температурных коэффициентов частот упругих волн в образцах из каждой фазы. В предлагаемом способе определение концентрации каждой фазы в изделиях одного форморазмера основано на законах аддитивности модулей упругости и акустического сопротивления, выраженных через измеряемые частоты идентичных упругих колебаний изделий из каждой фазы и двухфазного материала.

В связи с изложенным, частоты резонансных колебаний измеряют только при одной температуре, например, при комнатной, что необходимо и достаточно для определения состава при условии f₁ ≥ f_i ≥ f₂ из соотношений
,
где
C₁, C₂ - объемная концентрация фаз, доля;
f₁, f₂, f_i - частоты резонансных колебаний однотипных изделий из каждой фазы и контролируемого материала соответственно, Гц.

Следует отметить, что в предлагаемом способе исключены трудоемкие операции изготовления ряда двухфазных изделий переменного состава и последующего измерения частот резонансных колебаний и состава для построения градуировочной зависимости "частота-состав" (как в аналоге), кроме того, нет необходимости проводить измерения частот при разных температурах для определения температурных коэффициентов частот (как в прототипе). Таким образом, предлагаемый способ существенно упрощает массовый контроль состава двухфазных изделий и позволяет проводить его экспрессно с необходимой точностью.

Кроме того, предлагаемый способ имеет дополнительную возможность в частном случае, когда вместо материальной фазы 2 будет пористость (т.е. f₂ = 0) и ее концентрацию необходимо определить. При этом расчетная формула (1) упрощается и выглядит следующим образом:
,
где
P - объемная концентрация пористости, доля;
f₁, f_i - частоты резонансных колебаний однотипных плотного и пористого изделий, Гц.

Способ осуществляют следующим образом.

На партии однотипных (по форме и размерам) изделий из двухфазного материала и каждой из фаз проводят измерения частот резонансных идентичных колебаний при одной (например, при комнатной) температуре, после чего концентрацию фаз определяют из приведенных соотношений (1).

Примеры конкретного выполнения.

Отметим, что в изделиях могут быть возбуждены и измерены любые упругие колебания: продольные, крутильные и др. При этом возможна регистрация как частоты, так и периода колебаний, поскольку они связаны обратно пропорциональной зависимостью.

1. В таблице представлены известные результаты (1) измерений модулей продольной упругости E и сдвига G образцов твердых сплавов WC-Co одного форморазмера (пусть для определенности это будет штабик 4 х 4 х 34 мм) и их состав, определенный рентгеновским методом. Частота резонансных колебаний была порядка 100 и 60 кГц для продольных и крутильных колебаний соответственно. На основе этих результатов и известных данных по плотности WC (15,65 г/см³), Co (≈ 8,6 г/см³) и твердых растворов Co-W (8,65 - 9,6 г/см³) были рассчитаны измеренные, но не приведенные в работе (1) частоты f₁, f₂, f_i продольных и крутильных колебаний изделий из обеих фаз и сплавов различного состава WC-Co и WC-(Co-W). Затем по соотношению (1) определяли концентрацию связки Co или (Co-W) в твердом сплаве с учетом того, что f₁ = f_WC, f₂ = f_Co, f_i = f_WC-Co.

Как видно из таблицы, результаты определения состава связки предлагаемым и рентгеновским способами практически совпадают. Кроме того, предлагаемый способ имеет возможность оценивать изменение состава связки (т.е. оценивать растворимость W в Co) в твердых сплавах.

2. Был рассчитан состав сплава W-Cu по приведенным в прототипе частотам колебаний образцов диаметром 30 х 25 мм, которые оказались равными f₁ = f_W = 109,2, f₂ = f_Cu = 27,42 и f_i = f_W-Cu = 39,6 кГц при комнатной температуре и f₁ = 110,2, f₂ = 28,4 и f_i = 40,96 кГц при азотной температуре. Расчет по соотношению (1) объемной концентрации Cu в смеси дал величину 0,781 и 0,776 соответственно при комнатной и азотной температурах, а известный способ - 0,765, что расходится на 2 и 1,4% соответственно.

Таким образом, для определения состава однотипных изделий из двухфазных сплавов необходимы и достаточны измерения идентичных частот резонансных колебаний изделий из каждой фазы и двухфазного материала только при одной температуре, а имеющиеся в настоящее время технические средства позволяют проводить массовый контроль с необходимой точностью более просто и экспрессно.

Изобретение относится к неразрушающим средствам анализа свойств материалов акустическими методами и может быть использовано для массового экспрессного контроля состава (пористости) двухфазных сплавов (например, твердых сплавов группы ВК одного форморазмера). Сущность изобретения: проводят изотермические измерения частот резонансных колебаний однотипных (по форме и размерам) изделий из однофазных компонент и двухфазного материала и состав при условии f₁ ≥ f_i ≥ f₂ определяют из соотношений

где C₁, C₂ - объемная концентрация фаз, доля; f₁, f₂, f_i - частоты разностных колебаний однотипных изделий из каждой фазы и контролируемого материала соответственно, Гц. 1 табл.

Способ акустического контроля состава однотипных изделий из двухфазного материала, преимущественно изотропного, включающий измерение частот резонансных колебаний изделий из каждой фазы и контролируемого двухфазного материала, отличающийся тем, что измерения проводят при одной температуре, а состав изделий при условии f₁ ≥ f_i ≥ f₂ определяют из соотношений

C₁ = 1 - C₂,
где C₁, C₂ - объемная концентрация фаз, доля;
f₁, f₂, f_i - частоты резонансных колебаний однотипных изделий из каждой фазы и двухфазного материала соответственно, Гц.